JPH08165984A - アクチュエータ移動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ガイドに沿って所定経路を移動自在なアクチュ
エータ移動装置を提供する。 【構成】ＳＭＡコイル２は、その内側に固定軸１を通し
て、軸に沿って外接摺動して移動可能な一方向性ＳＭＡ
の線材を巻いたコイルであり、巻き形状及び記憶させた
形状の異なる、締付部２−ａ、２−ｃ、伸縮移動部２−
ｂからなる。締付部２−ａ、２−ｃの記憶形状は、固定
軸１を締付けて高い摩擦抵抗力を得るべく内径が小さく
なる形状である。伸縮移動部２−ｂの記憶形状は、その
長さが軸方向へ伸びる形状である。バイアスバネ３は、
高温時に長く伸びた伸縮移動部２−ｂを、低温時に元へ
縮めるための応力を加えるバネであり、スリーブ４によ
って、ＳＭＡコイル２と力学的に結合されている。電極
５、６、７、８は、外部電源に接続して、ＳＭＡコイル
２を各部位毎に通電加熱するための電極である。そし
て、外部から適宜通電制御を行い、ＳＭＡコイル２を間
欠的に移動動作させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、形状記憶材料、特にＳ
ＭＡ（形状記憶合金）を用いた簡単な構造のアクチュエ
ータ移動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、形状記憶合金を利用した種々
の装置が考えられている。ここで、形状記憶合金につい
て簡単に説明する。

【０００３】まず、物質に外力を印加することで起因す
る塑性変形（歪み）が、温度の上昇に伴い消失して元の
形状に復帰する現象を形状記憶効果という。言い換える
と、形状記憶効果は、常温で変形させた後に高温に加熱
すると、変形前の形状（予め記憶された形状）に回復す
る現象のことである。この現象は、金属、プラスチッ
ク、及びセラミックにおいて確認されており、特に金属
についてはＳＭＡ（形状記憶合金）として約２０種類の
合金が知られている。

【０００４】このようなＳＭＡは、そのほとんどが単結
晶系であり、主にコストの点から工業利用できるレベル
には至っていない。数少ない多結晶系であり、かつ実際
に工業利用されているのはＴｉＮｉ系とＣｕ系の２種類
のみである。

【０００５】最も汎用されているＴｉＮｉ系の場合、相
転移温度Ｔｃ（物質が異なる相または変態に状態を移す
温度）、すなわち上記元の形状に復帰する温度は、成分
比の微調整によって−８０〜＋１００度Ｃの間に設定で
きる。

【０００６】尚、本明細書においては、上記相転移温度
Ｔｃを越えた温度を高温、上記相転移温度Ｔｃより低い
温度を低温（あるいは常温）というものとして区別する
こととする。

【０００７】また、上記元の形状に復帰する時に発生す
る力（形状回復力）は、非常に大きなものであり、製品
によっては４００（ＭＰａ）に達するものがある。よっ
て、上記形状回復力が発生しているときは、外部から多
少の力が加わっても、影響があるものではない。

【０００８】ＳＭＡの形状記憶の性質は、大別すると不
可逆型と可逆型とに分けられる。不可逆型とは、高温に
おける形状のみ記憶でき、低温（常温）の形状は記憶で
きない一方向性形状記憶合金のことである。

【０００９】可逆型とは、低温、高温両方の形状を記憶
できるＳＭＡであり、例えば二方向性形状記憶合金があ
る。一方向性形状記憶合金は、温度サイクルに対して不
可逆的に形状変化するものであるから、低温から高温に
状態を移したときは形状回復するが、高温から低温にし
た場合は、外部から応力が加えられない限り形状変化し
ない。

【００１０】これに対し二方向性形状記憶合金は、温度
サイクルに対して可逆的に形状変化するものであるか
ら、低温から高温、高温から低温のいずれの温度サイク
ルであっても、低温、高温それぞれに対し予め設定され
ている形状へと形状回復する。

【００１１】次に、上述のような形状記憶合金を製品に
利用したＳＭＡ応用デバイスについて説明する。現在ま
でのＳＭＡを用いたデバイスの例としては、サーモスタ
ット、火災報知機、自動開閉温室窓などの温度制御用デ
バイスや温度監視デバイスがある。

【００１２】このようなデバイスに用いるＳＭＡは、例
えば図６のように形状変化するものである。同図の
（ａ）は低温時、（ｂ）は高温時である。また、同図に
は一方向性ＳＭＡと二方向性ＳＭＡが示してある。同図
（ａ）に示すように、低温時では、一方向性ＳＭＡ、二
方向性ＳＭＡはともに平面的な板状になっている。但
し、一方向性ＳＭＡでは、この板状の形状は記憶されて
いないが、二方向性ＳＭＡでは記憶されている。そして
加熱することでＳＭＡの温度が相転移温度Ｔｃを越える
と、予め記憶されている同図（ｂ）に示すような形状へ
と形状回復する。この高温時の形状回復については、一
方向、二方向性ＳＭＡは同様である。次に、上記高温状
態から冷却（自然冷却）することで、ＳＭＡの温度が相
転移温度Ｔｃより下がると、二方向性ＳＭＡでは予め記
憶されている同図（ａ）に示すような形状へと形状回復
するが、一方向性ＳＭＡは同図（ｂ）に示す形状のまま
である。このため、一方向性ＳＭＡを同図（ａ）の形状
に戻すために、一方向性ＳＭＡの板の一端（変形する
側）に図示しないバイアスバネが取りつけてある。この
バイアスバネによりＳＭＡに加わるバイアス応力は、Ｓ
ＭＡの形状回復力が上記のように非常に大きなものであ
ることから、高温時には形状回復力に抗してＳＭＡ板を
変形させることはできない。しかし、冷却することで相
転移温度Ｔｃより下がると、形状回復力が消失するの
で、ＳＭＡ板を加圧変形させて同図（ａ）に示すような
形状へ戻すことができる。

【００１３】このように、ある所定の温度（相転移温度
Ｔｃ）を境にして、ＳＭＡが２種類の形状を成すように
することで、ＳＭＡは上記温度制御用デバイスや温度監
視デバイス等のように、温度に応じて切り換わるスイッ
チング等に利用されている。

【００１４】また、ＳＭＡを種々の形状に加工し、対応
する種々の形状を記憶させることでＳＭＡを用いた装置
の応用範囲を拡げることが考えられている。更に、単位
体積あたりの力出力が大きい（すなわち、上記形状回復
力が非常に大きい）というＳＭＡの長所を生かして、ア
クチュエータ分野で応用されている例がある。例えば、
感温アクチュエータ、温度差エネルギー変換エンジン、
通電加熱アクチュエータ等がある。特に通電加熱アクチ
ュエータのように、ＳＭＡ自身の抵抗を利用した通電自
己発熱方式は、電気信号で直接加温制御できるので、応
答速度が高速（数ms程度）であることから、マイクロア
クチュエータを中心とした応用が検討されている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、Ｓ
ＭＡの利用法は、数多く考えられている。しかしながら
ＳＭＡの動作については、結局所定の位置における繰り
返し動作を行うという点では同一のものであった。この
ため、このようなＳＭＡの動作を利用する装置の応用範
囲も限られたものとなっていた。

【００１６】その為、上記のような所定の位置での繰り
返し動作ではなく、例えば位置を移動するようにＳＭＡ
を動作させることが要望されている。このような従来に
ないＳＭＡの動作を利用して、ＳＭＡ応用装置の範囲が
拡がることになる。

【００１７】本発明の課題は、ＳＭＡを用いた小型軽量
で高速応答性に優れた簡易な構造のアクチュエータ移動
装置を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】以下に、本発明に係わる
アクチュエータ移動装置の構成を述べる。本発明のアク
チュエータ移動装置である第１の装置は、所定の経路を
形成するガイド手段に係合して該ガイド手段に沿ってア
クチュエータを移動制御するアクチュエータ移動装置で
あって、所定の温度を境にして前記ガイド手段に対して
係止状態と摺動可能な係合状態とを取り得る形状記憶材
料より成る第１、第２の係合部材と、該第１、第２の係
合部材を連結するようにして設けられ、所定の温度以上
で伸長あるいは短縮する形状記憶材料より成る連結部材
と、該連結部材の所定の温度以上での伸縮状態を、所定
の温度以下で逆の状態へと伸縮させる伸縮手段とから構
成される前記アクチュエータと、該アクチュエータを前
記各部材毎に適宜温度制御して移動させる移動制御手段
とから構成される。

【００１９】上記第１の装置において、例えば請求項２
記載のように、前記連結部材を成す形状記憶材料は、所
定の温度以上で不可逆的に伸長あるいは短縮する一方向
性形状記憶合金であり、前記第１、第２の係合部材を成
す形状記憶材料は、所定の温度以上で不可逆的に内径が
変化する一方向性形状記憶合金である。

【００２０】また、上記伸縮手段は、例えば請求項３記
載のように、前記連結部材の形状記憶材料の所定温度以
上での伸縮方向と逆方向に応力を加えるバイアスバネで
ある。

【００２１】本発明のアクチュエータ移動装置である第
２の装置は、所定の経路を形成するガイド手段に係合し
て該ガイド手段に沿ってアクチュエータを移動制御する
アクチュエータ移動装置であって、所定の温度を境にし
て前記ガイド手段に対して係止状態と摺動可能な係合状
態とを取り得る形状記憶材料より成る第１、第２の係合
部材と、該第１、第２の係合部材を連結するようにして
設けられ、所定の温度を境にして伸縮する形状記憶材料
より成る連結部材とから構成される前記アクチュエータ
と、該アクチュエータを前記各部材毎に適宜温度制御し
て移動させる移動制御手段とから構成される。

【００２２】上記第２の装置の連結部材を成す形状記憶
材料は、例えば請求項５記載のように、所定の温度を境
にして可逆的に形状回復する二方向性形状記憶合金、あ
るいは全方位形状記憶合金である。

【００２３】また、例えば請求項６記載のように、前記
移動制御手段による温度制御は、前記形状記憶材料に通
電して自己発熱させる電気制御方式である。更に、例え
ば請求項７記載のように、上記ガイド手段は軸であり、
上記第１、第２の係合部材、及び上記連結部材はコイル
バネの形状である。

【００２４】次に、本発明のアクチュエータ移動装置の
移動制御方法は、前記ガイド手段に対し摺動可能に係合
されている形状記憶材料より成る第１の係合部材、第２
の係合部材のいずれか一方を、所定の温度以上に加熱制
御して前記ガイド手段に係止させる第１工程と、該第１
工程から更に形状記憶材料より成る連結部材を所定の温
度以上に加熱制御して、前記ガイド手段に係止させた係
合部材を基点にして前記連結部材を伸長、あるいは短縮
させることに伴い、摺動可能な状態にある前記係合部材
の他方を前記ガイド手段に沿って摺動移動させる第２工
程と、該第２工程から更に前記摺動移動させた係合部材
を所定の温度以上に加熱制御して前記摺動移動させた位
置に係止させるとともに、前記第１、第２工程で加熱制
御した係合部材及び連結部材を所定の温度以下に冷却さ
せることにより、該連結部材を伸縮が逆となるように短
縮、あるいは伸長させることに伴い該冷却させた係合部
材を前記ガイド手段に沿って摺動移動させる第３工程
と、該第３工程において加熱制御した係合部材を所定の
温度以下に冷却させることにより、前記第１工程の初期
状態にする第４工程とからなる一連の工程を順次行い該
一連の工程を繰り返すことにより、少なくとも前記第
１、第２の係合部材及び連結部材を有する前記アクチュ
エータを、前記ガイド手段に沿って自在に移動させるよ
うにして行う制御方法である。

【００２５】

【作用】先ず、請求項１に記載の発明は、形状記憶材料
より成る第１、第２の係合部材の何れか一方を係止状
態、他方を摺動可能な係合状態となるように移動制御手
段により温度制御する。更に連結部材を所定温度以上に
加温制御して、その記憶形状へと伸長あるいは短縮させ
る。この伸縮いずれかの変形に伴い、上記係合部材の他
方が、ガイド手段に沿って摺動移動する。次に、この係
合部材を移動先で係止状態にし、更に他の係合部材を摺
動可能な係合状態となるように温度制御するとともに、
連結部材が所定温度以下となるように温度制御する。こ
れによって、伸縮手段が連結部材を上記記憶形状と逆の
状態へ伸縮させ、これに伴い上記他の係合部材がガイド
手段に沿って摺動移動する。

【００２６】以上の一連の動作により、アクチュエータ
は、連結部材が伸縮した長さだけ移動したことになる。
この一連の動作を繰り返すことで、アクチュエータは、
ガイド手段に沿って自在に移動することができる。

【００２７】次に、請求項４に記載の発明は、形状記憶
材料より成る第１、第２の係合部材の何れか一方を係止
状態、他方を摺動可能な係合状態となるように移動制御
手段により温度制御する。更に、所定の温度を境にして
伸縮が逆の形状をそれぞれ記憶してある連結部材を、温
度制御して、その温度での記憶形状へと伸長あるいは短
縮させる。この伸縮いずれかの変形に伴い、上記係合部
材の他方が、ガイド手段に沿って摺動移動する。次に、
この係合部材を移動先で係止状態にし、更に他の係合部
材を摺動可能な係合状態となるように温度制御するとと
もに、連結部材を温度制御して伸縮が逆の状態へ形状変
形させる。このときの伸縮動作に伴い上記他の係合部材
がガイド手段に沿って摺動移動する。

【００２８】以上の一連の動作により、アクチュエータ
は、連結部材が伸縮した長さだけ移動したことになる。
この一連の動作を繰り返すことで、アクチュエータは、
ガイド手段に沿って自在に移動することができる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。まず、本発明の第１の実施例について
説明する。

【００３０】図１は、本発明の第１の実施例に係わるア
クチュエータ移動装置の構成を示す側断面図であり、
（ａ）には低温時の装置全体図、（ｂ）には高温時のＳ
ＭＡコイルの記憶形状を示してある。

【００３１】同図において、固定軸１は、少なくともそ
の表面が絶縁性材料で形成される棒状の軸である。この
固定軸１の断面は、円、楕円、多角形等であるが、ここ
では外径Ｄｄの円であるものとする。

【００３２】ＳＭＡコイル２は、一方向性ＳＭＡの線材
を巻いたコイルであり、固定軸１が挿入されている。一
方向性ＳＭＡは、前述したように、昇温に伴い相転移温
度を越えた状態（高温時）のみ形状を回復させる応力を
発生するものであって、相転移温度以下の状態（低温
時）では回復応力は発生しないものである。

【００３３】このＳＭＡコイル２は、締付部２−ａ、伸
縮移動部２−ｂ、締付部２−ｃの３つの部位から成り、
各部位はそれぞれ、コイルの巻き形状及び記憶させた形
状が異なるものである。同図（ａ）には低温時において
後述するバイアスバネ等による外部応力を受けてＳＭＡ
コイル２が塑性変形した形状を示しており、同図（ｂ）
には高温時に回復応力の発生によりＳＭＡコイル２が形
状回復した時の形状、すなわち予め記憶された記憶形状
を示している。

【００３４】同図（ａ）において、ＳＭＡコイル２の締
付部２−ａ、及び締付部２−ｃの内径Ｓは、固定軸１の
外径Ｄｄと略同一となっている。このときのＳＭＡコイ
ル２の締付部２−ａ、及び締付部２−ｃによる固定軸１
に対する締め付け圧力は、小さいものであり、よって軸
との摩擦抵抗力も小さいものである。このため、ＳＭＡ
コイル２の締付部２−ａ、及び締付部２−ｃは、固定軸
１に外接摺動して軸方向に移動可能となっている。ＳＭ
Ａコイル２の伸縮移動部２−ｂは、その内径が少なくと
も固定軸１の外径Ｄｄより大きく、固定軸１の軸方向に
移動自在となっている。

【００３５】また、ＳＭＡコイル２の伸縮移動部２−ｂ
の長さＬは、上記のように外部応力を受けて塑性変形す
ることで、図示の長さＬｓまで縮められている。一方、
同図（ｂ）に示す記憶形状は、ＳＭＡコイル２の伸縮移
動部２−ｂの長さＬは、図示の長さＬｔ（＞Ｌｓ）とな
っている。つまり、高温時には伸縮移動部２−ｂの長さ
が伸びるように設定されている。

【００３６】また、ＳＭＡコイル２の締付部２−ａ、及
び締付部２−ｃの内径はＳｎとなり、この内径Ｓｎは固
定軸１の外径Ｄｄより小さく（Ｓｎ＜Ｄｄ）なるように
設定されている。ここで、ＳＭＡコイル２が固定軸１に
組み込まれているので、実際にはＳＭＡコイル２の内径
は外径Ｄｄより小さくはならない。その為、このような
ＳＭＡコイル２の内径を固定軸１の外径Ｄｄより小さく
するようにして生じるＳＭＡの回復応力は、固定軸１を
締め付ける圧力（以下、クランプ力という）として働く
ことになる。

【００３７】ＳＭＡの回復応力は、前述したように非常
に大きなものであることから、上記クランプ力も非常に
強い力として働くので、結果として軸との摩擦抵抗力は
非常に大きなものとなる。このため、ＳＭＡコイル２の
締付部２−ａ、及び締付部２−ｃは外接摺動不可能とな
る。

【００３８】また、上記長さＬ及び内径Ｓ以外のＳＭＡ
コイル２の寸法は、同図（ａ）、（ｂ）では変わらない
ものとする。バイアスバネ３は、上述したように、高温
時に長さＬｔに伸びたＳＭＡコイル２の伸縮移動部２−
ｂを、低温時に長さＬｓに縮めるための応力を与えるた
めに設けられたバネである。このバイアスバネ３より加
わるバイアス力は、低温時にＳＭＡコイル２を塑性変形
させるのに充分な力ではあるが、ＳＭＡの回復応力より
はかなり小さいものである。よって高温時には、バイア
スバネ３による影響はほとんどない。

【００３９】スリーブ４は、ＳＭＡコイル２とバイアス
バネ３とを力学的に結合するために設けられた一対の結
合部材である。スリーブ４は、その中央に固定軸１を通
す為の穴が形成されている円板状の部材であり、固定軸
上を移動自在となっている。スリーブ４の円周部分は２
段形状となっており、内側の段には図のようにバイアス
バネ３が円周に沿って結合されている。また、ＳＭＡコ
イル２も、図示の接点部分でスリーブ４に係止されてい
る。（尚、締付部２−ａ、２−ｃの外径が、スリーブ４
の内径より充分大きい場合には、係止する必要はない） 電極５、電極６、電極７、及び電極８は、不図示の電源
によりＳＭＡコイル２を通電加熱するために、ＳＭＡコ
イル２上の所定の位置に設けられた電極である。上記電
源は、所定の手段（例えば、固定軸１と所定の間隔で平
行に設けられたレール等）により、ＳＭＡコイル２の移
動に伴って移動可能となっている。

【００４０】ここで、上記通電加熱は、前述したよう
に、ＳＭＡ自身の抵抗を利用した通電自己発熱方式であ
り、ＳＭＡコイル２の通電した部分の温度が、相転移温
度を越えるように設定されている。

【００４１】上記通電は、ＳＭＡコイル２の各部位（締
付部２−ａ、伸縮移動部２−ｂ、締付部２−ｃ）に対
し、それぞれ別々に行うことができるように配線されて
いる。例えば、電極６、７間に電圧を印加することで、
伸縮移動部２−ｂが通電加熱されることになる。それに
より伸縮移動部２−ｂの温度が相転移温度を越え、回復
応力が働いて伸縮移動部２−ｂの長さがＬｔに伸びるこ
とになる。他の部位についても同様である。また、同時
に２つ、あるいは３つの部位に通電することもできる。

【００４２】次に、上記構成のアクチュエータ移動装置
の動作について説明する。図２は、本発明の第１の実施
例に係わるアクチュエータ移動装置の動作説明図であ
る。

【００４３】同図においては、固定軸１とＳＭＡコイル
２のみを図示することにして、他の構成部品は図示せず
に機能動作の説明のみを行うこととする。ＳＭＡコイル
２の移動動作は、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）
で示す４工程に分かれて、間欠的に行われるものであ
る。

【００４４】初期状態では、ＳＭＡコイル２の温度は、
相転移温度以下となっており、バイアスバネ３によるバ
イアス力が印加されて図１（ａ）に示す状態となってい
る。この状態では、ＳＭＡコイル２の伸縮移動部２−ｂ
の長さは、Ｌｓに縮められており、また締付部２−ａ、
締付部２−ｃは固定軸１の軸方向に沿って摺動移動可能
となっている。

【００４５】この状態から、まず図２（ａ）に示すよう
に、電極５、６間に通電することで、ＳＭＡコイル２の
締付部２−ａを通電加熱する。これによりＳＭＡコイル
２の３つの部位のうち、締付部２−ａの温度だけが相転
移温度以上となり、それにより発生するＳＭＡの回復応
力が、前述したように固定軸１を締め付けるクランプ力
として働き、固定軸１との摩擦抵抗力が増大する。この
ため、締付部２−ａは、事実上、固定軸上の図示の位置
に固定された状態になる。

【００４６】次に、同図（ｂ）に示すように、上記の状
態から更に電極６、７間にも通電することで、伸縮移動
部２−ｂの温度も相転移温度以上となり、それにより発
生するＳＭＡの回復応力により、伸縮移動部２−ｂの長
さは上記ＬｓからＬｔまで伸びる。このとき、締付部２
−ａが上記固定された状態であり、締付部２−ｃは外接
摺動可能な状態であることから、伸縮移動部２−ｂは締
付部２−ａを基点として図示の右方向に伸びることにな
る。これに伴い締付部２−ｃは、図示の右方向へ移動す
ることになる。このとき、図示しないバイアスバネ３に
よるバイアス力が逆方向（短縮方向）に加えられている
が、前述したようにＳＭＡの回復応力に比べ非常に小さ
いものであり、影響はないものである。このときのＳＭ
Ａコイル２の状態は、同図（ｂ）に示す通りである。

【００４７】次に、同図（ｃ）に示すように、電極７、
８間に通電することで、締付部２−ｃは、上記移動した
位置に固定されることになる。また、このとき電極５、
６間、及び電極６、７間に通電を行うのを止めること
で、締付部２−ａ、及び伸縮移動部２−ｂは自然冷却さ
れていく。ここで、同図（ｃ）は、冷却途中の段階であ
り、未だ相転移温度以上であるときの状態を示してい
る。

【００４８】そして、締付部２−ａ、及び伸縮移動部２
−ｂの温度が相転移温度以下となった時、ＳＭＡの回復
応力は消失する。よって、締付部２−ａは固定軸上を外
接摺動可能となり、また伸縮移動部２−ｂはバイアスバ
ネにより長さがＬｓに縮まることになる。このとき、締
付部２−ｃが上記のように軸に固定された状態にあるこ
とから、伸縮移動部２−ｂは締付部２−ｃに向けて縮む
ことになり、これに伴って締付部２−ａが固定軸上を外
接摺動していき、同図（ｄ）に示す状態になる。以上、
図２（ａ）〜（ｄ）の動作を行うことで、ＳＭＡコイル
２全体が、固定軸１に対して所定距離だけ移動したこと
になる。最後に、電極７、８間に通電を行うのを止める
ことで、ＳＭＡコイル２の状態は、上記初期状態に戻る
ことになる。

【００４９】以上の動作を１サイクルとして、このサイ
クルを繰り返すことにより、連続した移動動作を行うこ
とができる。また、上記説明においては、最初に締付部
２−ａに通電加熱することで右方向への移動を行うよう
に制御したが、最初に締付部２−ｃに通電加熱するよう
にして、左方向への移動を行うように制御することもで
きる。

【００５０】このようにして、ＳＭＡコイル２は、固定
軸１に沿って任意の位置まで移動自在となる。また、本
発明の第１の実施例に係わる一方向性ＳＭＡを用いたア
クチュエータ移動装置は、上記説明した一例に限らな
い。

【００５１】ＳＭＡコイル２の通常状態、記憶状態を変
え、それに応じた制御を行うことでＳＭＡコイル２が固
定軸１上を移動動作するものであれば何でも良い。例え
ば、上記第１の実施例の変形例として、記憶状態では上
記Ｌｓの長さに縮むように設定され、通常状態ではバイ
アスバネ３３によりＬｔの長さに伸びるようにした伸縮
移動部３２−ｂと、ＳＭＡコイル２の締付部２−ａ、２
−ｃと同一である締付部３２−ａ、３２−ｃとからなる
ＳＭＡコイル３２を用いるようにしても良い。このとき
のバイアスバネ３３は、例えばＷの長さで両スリーブ４
を広げている。よって、このバイアスバネ３３によるバ
イアス力は、ＳＭＡコイル２を伸ばす方向へと働いてい
る。このように構成した一方向性ＳＭＡを用いたアクチ
ュエータ移動装置の動作について説明する。

【００５２】図３は、本発明の第１の実施例に係わる上
記変形例の構成のアクチュエータ移動装置の動作説明図
である。同図においては、固定軸１とＳＭＡコイル３２
のみを図示することにして、他の構成部品は図示せずに
機能動作の説明のみを行うこととする。

【００５３】ＳＭＡコイル３２の移動動作は、同図
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で示す４工程に分かれ
て、間欠的に行われるものである。初期状態では、ＳＭ
Ａコイル３２の温度は、相転移温度以下となっており、
バイアスバネ３３によるバイアス力がＳＭＡコイル３２
を両側に伸ばす方向に印加されている。よって、この状
態では、ＳＭＡコイル３２の伸縮移動部３２−ｂは、バ
イアスバネ３３によってＬｔの長さに伸ばされている。
また締付部３２−ａ、締付部３２−ｃは固定軸１の軸方
向に沿って摺動移動可能となっている。

【００５４】この状態から、まず図３（ａ）に示すよう
に、電極７、８間に通電することで、ＳＭＡコイル３２
の締付部３２−ｃを通電加熱する。これによりＳＭＡコ
イル３２の３つの部位のうち、締付部３２−ｃの温度だ
けが相転移温度以上となり、それにより発生するＳＭＡ
の回復応力が、前述したように固定軸１を締め付けるク
ランプ力として働き、固定軸１との摩擦抵抗力が増大す
る。このため、締付部３２−ｃは、事実上、固定軸上の
図示の位置に固定された状態になる。

【００５５】次に、同図（ｂ）に示すように、上記の状
態から更に電極６、７間にも通電することで、伸縮移動
部３２−ｂの温度も相転移温度以上となり、それにより
発生するＳＭＡの回復応力により、伸縮移動部３２−ｂ
の長さは上記ＬｔからＬｓまで縮む。このとき、締付部
３２−ｃが上記固定された状態であり、締付部３２−ａ
は外接摺動可能な状態であることから、伸縮移動部３２
−ｂは締付部３２−ｃを基点にして図示の右方向へと縮
む。これに伴い締付部３２−ａは、図示の右方向へ移動
することになる。このとき、図示しないバイアスバネ３
３によるバイアス力が逆方向（伸ばす方向）に加えられ
ているが、前述したようにＳＭＡの回復応力に比べ非常
に小さいものであり、影響はないものである。このとき
の状態は、同図（ｂ）に示す通りである。

【００５６】次に、同図（ｃ）に示すように、電極５、
６間に通電することで、締付部３２−ａは、上記移動し
た位置に固定されることになる。また、このとき電極
６、７間、及び電極７、８間に通電を行うのを止めるこ
とで、伸縮移動部３２−ｂ、及び締付部３２−ｃは自然
冷却されていく。ここで、同図（ｃ）は、冷却途中の段
階であり、未だ相転移温度以上であるときの状態を示し
ている。

【００５７】そして、伸縮移動部３２−ｂ、及び締付部
３２−ｃの温度が相転移温度以下となった時、ＳＭＡの
回復応力は消失する。よって、締付部３２−ｃは固定軸
上を外接摺動可能となり、また伸縮移動部３２−ｂはバ
イアスバネにより長さがＬｔまで伸ばされることにな
る。このとき、ＳＭＡコイル３２は同図（ｄ）に示す状
態になり、ＳＭＡコイル３２全体が、固定軸１に対して
移動したことになる。最後に、電極５、６間に通電を行
うのを止めることで、ＳＭＡコイル３２の状態は、上記
初期状態に戻ることになる。

【００５８】以上の動作の１サイクルとして、これを繰
り返すことにより、連続した移動動作を行うことができ
る。また、上記説明では右方向への移動について説明し
たが、左方向への移動もできる。

【００５９】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。図４は、本発明の第２の実施例に係わるアクチュ
エータ移動装置の構成を示す側断面図である。同図
（ａ）において、固定軸１については、第１の実施例と
同一であり、同一符号を付して説明は省略する。

【００６０】同図（ａ）において、ＳＭＡコイル４２
は、二方向性ＳＭＡの線材を巻いたコイルであり、固定
軸１が挿入されている。二方向性ＳＭＡは、前述したよ
うに、相転移温度を越えた状態（高温時）と相転移温度
以下の状態（低温時）との両方における形状を記憶でき
るＳＭＡである。よって、相転移温度を境にして、可逆
的に形状変化する。よって、同様の性質を有する例えば
全方位形状記憶合金の線材を巻いたコイルを用いること
もできるが、ここでは二方向性ＳＭＡを用いるものとし
て説明する。

【００６１】このＳＭＡコイル４２は、締付部４２−
ａ、伸縮移動部４２−ｂ、締付部４２−ｃの３つの部位
から成り、各部位はそれぞれ、コイルの巻き形状及び記
憶させた形状が異なるものである。同図（ｂ）には低温
時におけるＳＭＡコイル４２の記憶形状が示してあり、
同図（ｃ）には高温時におけるＳＭＡコイル４２の記憶
形状が示してある。

【００６２】また、同図（ａ）において、電極４５、電
極４６、電極４７、及び電極４８は、不図示の電源によ
りＳＭＡコイル４２の各部位を、各々通電加熱するため
に、ＳＭＡコイル４２上の所定の位置に設けられた電極
である。

【００６３】ここで、同図（ｂ）に示す低温時の記憶形
状は、ＳＭＡコイル４２の締付部４２−ａ、及び締付部
４２−ｃの内径Ｓｔが、固定軸１の外径Ｄｄより多少大
きい程度に設定されている。よって、ＳＭＡコイル４２
の締付部４２−ａ、及び締付部４２−ｃは、固定軸１に
外接摺動して軸方向に移動可能となっている。ＳＭＡコ
イル２の伸縮移動部２−ｂは、その内径が少なくとも上
記内径Ｓｔより大きく、固定軸１の軸方向に移動自在と
なっている。

【００６４】また、ＳＭＡコイル２の伸縮移動部２−ｂ
の長さＬは、図示の長さＬｓに設定されている。一方、
同図（ｃ）に示す高温時の記憶形状は、ＳＭＡコイル４
２の伸縮移動部４２−ｂの長さＬは、図示の長さＬｔ
（＞Ｌｓ）に設定されている。つまり、高温時には伸縮
移動部２−ｂの長さが伸び、低温時には縮むように設定
されている。

【００６５】また、ＳＭＡコイル４２の締付部４２−
ａ、及び締付部４２−ｃの内径はＳｎとなり、この内径
Ｓｎは固定軸１の外径Ｄｄより小さく（Ｓｎ＜Ｄｄ）な
るように設定されている。すなわち、（Ｓｔ＞Ｄｄ＞Ｓ
ｎ）となるように設定されている。ここで、ＳＭＡコイ
ル４２が固定軸１に組み込まれているので、実際にはＳ
ＭＡコイル４２の内径は外径Ｄｄより小さくはならな
い。その為、このようなＳＭＡコイル４２の内径を固定
軸１の外径Ｄｄより小さくするようにして生じるＳＭＡ
の回復応力は、固定軸１を締め付ける圧力（以下、クラ
ンプ力という）として働くことになる。

【００６６】ＳＭＡの回復応力は、前述したように非常
に大きなものであることから、上記クランプ力も非常に
強い力として働くので、結果として固定軸との摩擦抵抗
力は非常に増大することになり、外接摺動不可能とな
る。

【００６７】また、上記長さＬ及び内径Ｓ以外のＳＭＡ
コイル４２の寸法は、同図（ｂ）、（ｃ）では変わらな
いものとする。以上説明したように、第２の実施例にお
いては、二方向性ＳＭＡを用いることにより、第１の実
施例のバイアスバネ、及びスリーブを必要としない構成
となっている。

【００６８】次に、上記構成の第２の実施例に係わるア
クチュエータ移動装置の動作について説明する。図５
は、本発明の第２の実施例に係わるアクチュエータ移動
装置の動作説明図である。

【００６９】ＳＭＡコイル４２の移動動作は、同図
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で示す４段階に分かれ
て、間欠的に行われるものである。初期状態では、ＳＭ
Ａコイル４２の温度は、相転移温度以下となっており、
この状態では、ＳＭＡコイル４２は図４（ｂ）に示す、
低温時の記憶状態となっている。

【００７０】この状態から、まず図５（ａ）に示すよう
に、電極４５、４６間に通電することで、ＳＭＡコイル
４２の締付部４２−ａを通電加熱する。これによりＳＭ
Ａコイル４２の３つの部位のうち、締付部４２−ａの温
度だけが相転移温度以上となり、締付部４２−ａには高
温時の記憶形状をとるような回復応力が働く。これによ
り、締付部４２−ａの内径をＳｎとする為の力が働き、
結果として固定軸１を締め付けるクランプ力が増大す
る。よって、締付部４２−ａは、事実上、固定軸上の図
示の位置に固定された状態になる。

【００７１】次に、同図（ｂ）に示すように、上記の状
態から更に電極４６、４７間にも通電することで、伸縮
移動部４２−ｂの温度も相転移温度以上となり、伸縮移
動部４２−ｂは高温時の記憶形状へ形状回復する。すな
わち、伸縮移動部４２−ｂの長さは、上記ＬｓからＬｔ
まで伸びることになる。このとき、締付部４２−ａが上
記固定された状態であり、締付部４２−ｃは外接摺動可
能な状態であることから、伸縮移動部４２−ｂは締付部
４２−ａを基点として図の右方向に伸びることになる。
これに伴い締付部４２−ｃは、図示の右方向へ摺動移動
することになる。このときの状態は、同図（ｂ）に示す
通りである。

【００７２】次に、同図（ｃ）に示すように、電極４
７、４８間に通電することで、締付部４２−ｃは、上記
移動した位置に固定されることになる。また、このとき
電極４５、４６間、及び電極４６、４７間に通電を行う
のを止めることで、締付部４２−ａ、及び伸縮移動部４
２−ｂは自然冷却されていく。ここで、同図（ｃ）は、
冷却途中の段階であり、未だ相転移温度以上であるとき
の状態を示している。

【００７３】そして、締付部４２−ａ、及び伸縮移動部
４２−ｂの温度が相転移温度以下となった時、両部位は
低温時の記憶形状へと形状回復する。すなわち、伸縮移
動部４２−ｂの長さはＬｓに縮み、締付部４２−ａの内
径がＳｔとなる。この結果、締付部４２−ａは軸に対し
摺動可能となり、伸縮移動部４２−ｂの収縮動作に伴っ
て、図の右方向へ摺動移動することになる。

【００７４】この結果、ＳＭＡコイル４２は、同図
（ｄ）に示す位置へと移動完了することになる。最後
に、電極４７、４８間に通電を行うのを止めることで、
初期状態に戻り、移動動作の１サイクルが終了する。

【００７５】以上の動作の１サイクルとして、これを繰
り返すことにより、連続した移動動作を行うことができ
る。また、上記説明においては、最初に締付部４２−ａ
に通電加熱することで右方向への移動を行うように制御
したが、最初に締付部４２−ｃに通電加熱することで左
方向への移動を行うように制御することもできる。

【００７６】このようにして、ＳＭＡコイル４２は、固
定軸１に沿って任意の位置まで移動自在となる。また、
本発明の第２の実施例は、上記の方法に限らない。

【００７７】第１の実施例において説明した変形例と同
様に、記憶形状を変え、それに応じて制御の方法を変え
ることで、固定軸１上を移動動作するものであれば、何
でも良い。

【００７８】また、本発明の第１の実施例、及び第２の
実施例においては、コイルの巻き形状及び記憶させた形
状が異なる３つの部位からなるＳＭＡコイルを用いた
が、本発明はこの例に限らない。

【００７９】コイルの巻き形状及び記憶させた形状が異
なる、３つのＳＭＡコイルを用いるようにしても良い。
また、ＳＭＡコイルのようなコイル形状に限らない。例
えば、実施例におけるＳＭＡコイルの伸縮移動部を一枚
の板としても良く、更に両側の締付部を半円状の板とし
ても良い。

【００８０】また、アクチュエータの移動をガイドする
ものは、固定軸（断面が円、楕円、多角形等）に限らな
い。例えば、コの字状のレールをガイド部材とし、これ
にアクチュエータを内接するようにしても良い。

【００８１】また、軸、あるいはレールの形状は、実施
例のような直線状のものに限らない。アクチュエータが
外接摺動して（あるいは、そうでなくても）移動可能な
形状であれば、何でも良い。例えば、その一部あるいは
全部が湾曲状に曲がっており、曲線状の経路を形成して
いる軸、あるいはレールでもよい。あるいはドーナツ状
の形状にして、アクチュエータがその円周状を周回して
移動するようにしても良い。

【００８２】更に、軸、あるいはレールによる経路を垂
直方向に設定することもできる。この場合は、重力によ
りアクチュエータが落下しないように、常にアクチュエ
ータがガイドに係止するように制御する（例えば、常に
ＳＭＡコイルの締付部の何れか一方が係止状態となるよ
うに制御する）ことが必要である。

【００８３】また、実施例においては、形状記憶合金を
用いて説明したが、他の形状記憶材料（プラスチック、
セラミック）であっても、通電加熱以外の加熱方法にす
ることで用いることができる。また、例えば、形状記憶
プラスチックに導電可能な金属粉を混ぜて通電可能とな
るように形成することで、通電加熱による加熱方法であ
っても用いることができる。

【００８４】以上、詳細に説明した、本発明のガイド部
材（軸、レール）にそって移動可能なアクチュエータ移
動装置を応用することで、従来にはないＳＭＡの応用装
置が可能になる。

【００８５】例えば、軸、あるいはレール上を、荷物等
を搬送する手段として用いられる。これは特に宇宙空間
や原子炉等のように、人間が作業を行えない、あるいは
作業することが危険な場所において、物資の搬送や、作
業用ロボットの移動、あるいは作業動作等に有効に利用
できる。すなわち、遠隔操作により、外部から電源スイ
ッチのＯＮ、ＯＦＦという簡単な電気制御により動作を
行わせることができるので、悪環境下での作業に最適に
利用できる。

【００８６】また、各種おもちゃ等にも用いることがで
きる。

【００８７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、ＳＭＡを用いた小型軽量、簡単な構成で、かつ簡
単な制御によって、所定の経路上を自在に移動できるア
クチュエータ移動装置を提供することができる。

【００８８】よって、このようなアクチュエータ移動装
置を利用することで、従来は実現できなかったＳＭＡの
応用装置を開発することが可能となる。

【００８９】

【図面の簡単な説明】

【００９０】

【図１】第１の実施例に係わるアクチュエータ移動装置
の構成を示す側断面図である。（ａ）は通常時（低温
時）の装置全体図、（ｂ）は高温時のＳＭＡコイル図で
ある。

【００９１】

【図２】第１の実施例に係わるアクチュエータ移動装置
の動作説明図である。

【００９２】

【図３】第１の実施例の変形例に係わるアクチュエータ
移動装置の動作説明図である。

【００９３】

【図４】第２の実施例に係わるアクチュエータ移動装置
の構成を示す側断面図である。（ａ）は装置全体図、
（ｂ）は低温時のＳＭＡコイル図、（ｃ）は高温時のＳ
ＭＡコイル図である。

【００９４】

【図５】第２の実施例に係わるアクチュエータ移動装置
の動作説明図である。

【００９５】

【図６】従来のＳＭＡを利用した装置での、ＳＭＡの形
状変化例を示す図である。

【００９６】

【符号の説明】

１ 固定軸 ２ ＳＭＡコイル ２−ａ 締付部 ２−ｂ 伸縮移動部 ２−ｃ 締付部 ３ バイアスバネ（圧縮バネ） ４ スリーブ ５、６、７、８ 電極 ３２ ＳＭＡコイル ３２−ａ 締付部 ３２−ｂ 伸縮移動部 ３２−ｃ 締付部 ３３ バイアスバネ（伸長バネ） ４２ ＳＭＡコイル ４２−ａ 締付部 ４２−ｂ 伸縮移動部 ４２−ｃ 締付部 ４５、４６、４７、４８ 電極

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の経路を形成するガイド手段に係合
   して該ガイド手段に沿ってアクチュエータを移動制御す
   るアクチュエータ移動装置であって、 所定の温度を境にして前記ガイド手段に対して係止状態
   と摺動可能な係合状態とを取り得る形状記憶材料より成
   る第１、第２の係合部材と、 該第１、第２の係合部材を連結するようにして設けら
   れ、所定の温度以上で伸長あるいは短縮する形状記憶材
   料より成る連結部材と、 該連結部材の所定の温度以上での伸縮状態を、所定の温
   度以下で逆の状態へと伸縮させる伸縮手段とから構成さ
   れる前記アクチュエータと、 該アクチュエータを前記各部材毎に適宜温度制御して移
   動させる移動制御手段とからなることを特徴とするアク
   チュエータ移動装置。
2. 【請求項２】 前記連結部材の形状記憶材料は、所定の
   温度以上で不可逆的に伸長あるいは短縮する一方向性形
   状記憶合金であり、前記第１、第２の係合部材の形状記
   憶材料は、所定の温度以上で不可逆的に径が収縮する一
   方向性形状記憶合金であることを特徴とする請求項１記
   載のアクチュエータ移動装置。
3. 【請求項３】 前記伸縮手段は、前記連結部材の形状記
   憶材料の所定温度以上での伸縮方向と逆方向に応力を加
   えるバイアスバネであることを特徴とする請求項２記載
   のアクチュエータ移動装置。
4. 【請求項４】 所定の経路を形成するガイド手段に係合
   して該ガイド手段に沿ってアクチュエータを移動制御す
   るアクチュエータ移動装置であって、 所定の温度を境にして前記ガイド手段に対して係止状態
   と摺動可能な係合状態とを取り得る形状記憶材料より成
   る第１、第２の係合部材と、 該第１、第２の係合部材を連結するようにして設けら
   れ、所定の温度を境にして伸縮する形状記憶材料より成
   る連結部材とから構成される前記アクチュエータと、 該アクチュエータを前記各部材毎に適宜温度制御して移
   動させる移動制御手段とからなることを特徴とするアク
   チュエータ移動装置。
5. 【請求項５】 前記連結部材を成す形状記憶材料は、所
   定の温度を境にして可逆的に形状回復する二方向性形状
   記憶合金、あるいは全方位形状記憶合金であることを特
   徴とする請求項４記載のアクチュエータ移動装置。
6. 【請求項６】 前記移動制御手段による温度制御は、前
   記形状記憶材料に通電して自己発熱させる電気制御であ
   ることを特徴とする請求項１、２、３、４、５記載のア
   クチュエータ移動装置。
7. 【請求項７】 前記ガイド手段は軸であり、前記第１、
   第２の係合部材、及び前記連結部材はコイルバネの形状
   であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６
   記載のアクチュエータ移動装置。
8. 【請求項８】所定の経路を形成するガイド手段に係合し
   て該ガイド手段に沿ってアクチュエータを移動させるア
   クチュエータ移動装置の制御方法であって、 該制御方法は、 前記ガイド手段に対し摺動可能に係合されている形状記
   憶材料より成る第１の係合部材、第２の係合部材のいず
   れか一方を、所定の温度以上に加熱制御して前記ガイド
   手段に係止させる第１工程と、 該第１工程から更に形状記憶材料より成る連結部材を所
   定の温度以上に加熱制御して、前記ガイド手段に係止さ
   せた係合部材を基点にして前記連結部材を伸長、あるい
   は短縮させることに伴い、摺動可能な状態にある前記係
   合部材の他方を前記ガイド手段に沿って摺動移動させる
   第２工程と、 該第２工程から更に前記摺動移動させた係合部材を所定
   の温度以上に加熱制御して前記摺動移動させた位置に係
   止させるとともに、前記第１、第２工程で加熱制御した
   係合部材及び連結部材を所定の温度以下に冷却させるこ
   とにより、該連結部材を伸縮が逆となるように短縮、あ
   るいは伸長させることに伴い該冷却させた係合部材を前
   記ガイド手段に沿って摺動移動させる第３工程と、 該第３工程において加熱制御した係合部材を所定の温度
   以下に冷却させることにより、前記第１工程の初期状態
   にする第４工程と、 からなる一連の工程を順次行い、該一連の工程を繰り返
   すことにより、前記第１、第２の係合部材及び連結部材
   を有する前記アクチュエータを、前記ガイド手段に沿っ
   て自在に移動させることを特徴とするアクチュエータの
   制御方法。