JPS60228778A - 駆動装置 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は形状記憶合金を用いた駆動装置に係り、特にロ
ボットハンドに用いるに適した駆動装置に関する。

〔発明の背景〕

ロボットハンド等を駆動する素子として形状記憶合金を
用いたものが提案されているが、従来のものは有効な冷
却手段を具えていないために、復帰動作の応答性が悪い
という欠点があった。

応答性を改善するものとして、特開昭５７−１６８８９
１号公報に記載の如きものが提案されているが、寿命や
コストの面で問題があり、また最良の冷却手段とは言い
難い。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、安価な方法で、しかも耐久性があり、
応答性の良い駆動装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、形状記憶合金の部材とこれに対してパイアス
カを付与する他の部材を組み合わせた駆動装置において
、形状記憶合金のみを囲む流路を設け、流路内に強制的
に冷却用流体を流すようにしたことに特徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図により説明す
る。第１図は、駆動装置１の軸方向断面図である。形状
記憶合金製の第１の部材としてワイヤ状の形状記憶合金
２．パイアスカを付与する第２の部材として圧縮コイル
ばね３を用いている。

ワイヤ状形状記憶合金２は、あらかじめ高温（変態温度
以上）で収縮するように記憶処理が行っである。４は駆
動装置１の固定側であるベース、５は可動側の駆動端板
、６は駆動ワイヤ、７は駆動対象物である。ワイヤ状形
状記憶合金２は圧縮コイルばね３と釣合いがとれるよう
に、圧縮コイルばね３の中心に配置されており、ワイヤ
状形状記憶合金２のみを囲む冷却流体用の流路で覆われ
ている。流路としては、細長い円管８を用いており。

一端はワイヤ状形状記憶合金２の途中で開放にされてい
る。また、円管８の他端は流体の入口側であり、ベース
４．配管９を介して流体供給源１０に接続されている。

ここで、流体供給源１０は圧締機や送風機等である。第
１図では、ワイヤ状形状記憶合金２の加熱はリード線１
２を介して直流電源１１により通電加熱、冷却は流体供
給源１０から供給される流体により行う例を示している
。

次に本発明の動作原理について説明する。ワイヤ状形状
記憶合金２を電源１１により通電加熱すると、ワイヤ２
の温度が上昇する。そして加熱時の変態温度より高くな
ると、ワイヤ２は記憶している形状に収縮しようとする
。このときに発生するワイヤ２の回復力Ｆｌはコイルば
ね３のパイアスカＦ２よりかなり大きいため、端板５は
（Ｆｉ−Ｆｓｅ）の力で図の左方向へ移動する。このた
め、端板５の先に取り付けられた駆動ワイヤ６も同様に
左方向に引張られるため、駆動対象物７を左方向へ移動
させることができる。

次に通電加熱を停止（電源１１を０ＦＦ）すると、ワイ
ヤ状形状記憶合金２は流体供給源１ｏから配管９．ベー
ス４を介して円管８内に送られてきた流体により強制的
に冷却される。そして、流体は円管８の開放端より周囲
に放出される。

ワイヤ状形状記憶合金２が冷却されると、ワイヤ２の温
度が低下する。そして、冷却時の変態温度より低くなる
と、ワイヤ２の回復力Ｆ１はコイルばね３のパイアスカ
Ｆ２より小さくなり、端板５（あるいは、駆動ワイヤ６
、駆動対象物７）は（Ｆｌｌ　Ｆｉ）の力で右方向へ移
動する。

前述の如く形状記憶合金を交互に加熱、冷却することに
より、形状記憶合金に発生する回復カＦｌとコイルばね
のパイアスカＦ２の力の大小関係を逆転させて、一定の
運動（第１図では伸縮の直線運動）を反復して行わせる
ことができ、駆動装置となる。第１図において１３が運
動の変位量である。

第３図、第４図は本発明の他の実施例であり、パイアス
カを付与する弾性体として、ベローズ１４を用いた例で
ある。また、弾性体としては、その他にゴム等を用いて
もよい。また、同図ではワイヤ状形状記憶合金２はベロ
ーズ１４と釣合いがとれるようにベローズ１４の周囲に
複数個（図では４個）配置されており、各々のワイヤ状
形状記憶合金２は、個々に円管８で覆われている。そし
て、円管８は管の両端が開放となっており、冷却用流体
は円管８の中央より流入し、二重されて両端へ流れて行
く。動作原理については、第１図と同様である。

第５図、第６図は本発明の他の実施例であり、ワイヤ状
形状記憶合金２のみを囲む流路として内円管１５と外円
管１６により形成される二重円管のすき間を用いている
。１７は２つの円管１５゜１６のすき間を固定するスペ
ーサである。また、１８．１９は制御弁と流体タンクで
ある。第１〜第４図において説明した駆動装置の実施例
では、冷却用流体の供給源１０は常に運転状態にあり、
ワイヤ状形状記憶合金２の通電加熱時も流体が円管８内
を流れている。このため、従来（自然空冷時）に比べ通
電する電気入力は増加している。これに対して、第５図
に示す如く制御弁１８を付加すると１通電加熱時には流
体の供給を停止させることができ、電気入力を従来と同
程度に保つことができる。流体タンク１９は流体供給源
１０により加圧された流体を一時溜めておく容器であり
、圧力がある一定値になると流体供給源１０がＯＦＦと
なるように連結されている。また、２０は加熱用電源１
１を含む制御装置であり、リード線２１により制御弁１
８とも接続されている。そして、制御装置２０はワイヤ
状形状記憶合金２の加熱。

冷却に応じて、加熱用電源１１及び制御弁１８をＯＮ、
ＯＦＦして、効率良く駆動装置！１を動作させる。

以上の第５．第６図における説明では、流体供給源１０
としては圧縮機や送壁機を用い、流体を加圧することに
より円管８内および二重円管間のすき間に流体を流して
冷却し、その後管の開放端部より流体を放出した。しか
し、１０を真空ポンプにして、管の開放端部より流体を
吸入し１円管８内および二重円管間のすき間に流体を流
し、その後配管９．制御弁１８を介して流体タンク１９
へ排出するようにしてもよい。

この場合も、流体タンク１９内の圧力（周囲圧力より低
圧）がある一定値になると、真空ポンプ１０がＯＦＦと
なるように連結されていてもよい。

第７図は本発明の他の実施例であり、弾性体として引張
りばね２２を用いている。この図は、一定の回転運動を
行うに適した駆動装ｗ１である。

駆動対象物７は中心軸２３のまわりで回転するプーリ２
４に固定されており、変位１３の範囲内の運動をする。

また、２５はプーリ２４を支える支柱である。第７図の
ワイヤ状形状記憶合金２の加熱時であり、引張りばね２
２のパイアスカＦ２よリワイヤ状形状記憶合金２の回復
力Ｆｓの方が大きいため、プーリ２４が中心軸２３を中
心にして牛時計方向に回転し、プーリ２４に固定された
駆動対象物７はある角度だけ半時針方向に回転する。

逆に、ワイヤ状形状記憶合金２が流体供給源ｌＯから配
管９．ベース４を介して円管８内に送られた流体により
冷却されると、回復力Ｆ１がパイアスカＦ２より小さく
なり、駆動対象物７はある角度だけ時計方向に回転する
。そして、この加熱。

冷却の繰り返しにより、駆動対象物７を駆動させること
ができる。

第８図、第９図は本発明の他の実施例である６全体の構
成は第７図と同じであるが、パイアスカを付与する第２
の部材として弾性体に代わりワイヤ状の形状記憶合金２
８を用いている。２ａは第１〜７図と同じく形状記憶合
金製の第１の部材であるワイヤ状形状記憶合金である。

そして、第１の部材と第２の部材それぞれに、流路とし
て円管８ａ、８ｂが設けられている。、２６は円管８ａ
。

８ｂへの流体の供給を調整する三方弁である。第８図は
、第１の部材であるワイヤ状形状記憶合金２８が冷却、
第２の部材であるワイヤ状形状記憶合金２ｂが加熱され
ている状態であり、制御装置２０内の加熱用電源１１に
よりリード線１２ｂを介してワイヤ状形状記憶合金２ｂ
が加熱されており、三方弁２６の（ａ）側が開（（ｂ）
側聞）状態で、流体が円管８ａ内を流れワイヤ状形状記
憶合金２ａが冷却されている。逆に、ワイヤ状形状記憶
合金２８を加熱し、２ｂを冷却するときは、制御装置２
０により三方弁２６と電源１１を切換えればよい。第８
図のワイヤ状形状記憶合金２は１対（２ａ、２ｂ各１本
）でもよいが、大きな力を必要とするときは、第９図の
如く複数対（図では４対）設けてもよい。

第１０図は本発明の他の実施例である。駆動装置ｌｌの
全体の構成は第５図と同じであり、２７が流体の流れを
乱すべく突起物であるフィンである。

フィン２７は流路の長さ方向にらせん状に内管１５の外
壁表面に設けられている。第１１図はフィン２７の斜視
図である。このようにフィン２７を形成すると、ベース
４内より二重円管間の流路に流入した流体に旋回力を与
えたり、流体の流れを乱したりさせることができ、冷却
効果を上げることができる。またらせん状のフィン２７
は外管１６の内壁表面に設けてもよい。また突起物とし
ては、連続したらせん状フィン２７に限らず、連続しな
いフィンや大きな砂粒の如く粒状のものでもよい。さら
に、突起物としてはコイルばねを管壁表面近くに設けて
もよく、また針金を管壁に巻きつけたものでもよい。ま
た突起物は第１０図のにく二重円管間のすき間流路に限
らず、第１図の如く円管８内流路に設けてもよい。

第１２図は本発明の他の実施例であり、駆動装［１の流
路部分の断面図である。８は第１，３゜５図等に記載の
流体の流路である円管であり、その側面に流路内（円管
８の内側）と流路外（円管８の外側）とが通じる複数個
の細孔２８が設けられている。流体供給源１０より供給
された流体が円管８内を矢印２９の方向に流れると、圧
力差に応じて細孔２８より流路外の温度の低い流体が流
路内（円管８内）に矢印３０の如く流入し、流路内の徐
々に温まった流体と混合する。このため、冷却効果が向
上する。細孔２８は状況に応じて、円管８の軸方白シこ
径の大きさを変化させてもよい。

また細孔２８は第５図の如く流路に設けてもよい６以上
、第１〜第１２図の実施例では、形状記憶合金製の部材
としてワイヤ状の形状記憶合金を述べたが、第１３．１
４図の如き形状であってもよい。第１３図はコイルばね
状の形状記憶合金３１であり、大きな変位１３を必要と
するときに有効である。また第１４図は板状の形状記憶
合金３２であり、大きな力を必要とするときに有効であ
る。

さらに、形状記憶合金は以上３つの形状に限定されるも
のではなく、状況に応じて決定されるものである。

以上に述べた流路の材質としては、絶縁材料を用いるこ
とが望ましく、絶縁材料としてはテフロン、碍子、ベー
クライト、ゴムなどを用いることができる。

また、流路の材質としては、断熱材料を用いることが望
ましく、断熱材料としてはテフロン、碍子、ベークライ
ト、ゴム、ファイバー、プラスチック、ガラス、セルロ
イド、木材、コルクなどを用いることができる。

また、駆動装置１を空気中で用いるとき、冷却用の供給
する流体としては、空気を用いることが最も望ましい。

それは、流路の一部が開放となっているためである。そ
の他に、流路の開放部において気化する液体窒素など液
化流体でもよい。また、駆動装Ｗ１１を使用する環境が
空気中でない場合は、その流体に合わせて（例えば、水
中であれば水を）冷却用流体を選択してもよい。

次に本発明の効果について説明する。実験した装置は第
７図に示す如き構造に第５図に示す制御弁１８等の制御
装置を付加したものである。ワイヤ状形状記憶合金２は
ニッケルとチタンの合金（５０％、５０％）で、線径０
．３５ｍｍ、全長２６０ｍ＋である。また流路は碍子製
の円管８で、内径２■、外径３ｍ、全長２４０ｍであり
、第７図の如く円管８の一端から空気を供給し、他端か
ら放出する形状と、第３図の如く円管８の中央から空気
を供給し、両端から放出する形状について実験した。形
状記憶合金２の温度は、碍子管の空気出口付近に２５μ
ｍの銅コンスタンタン熱電対を接着して測定した。

第１５図はその実験結果であり、加熱の特性は同様なの
で省略し、冷却時のワイヤ２の温度変化のみを時間の経
過とともに示した。周囲空気温度はＴ　ａ　＝　１８℃
である。ｘ印が従来の自然空冷であり、第７図において
円管８を取りはずしたとき（流体は流さない）の結果で
ある。また、強制空冷（本発明）のタイプＡ、Ｂについ
ては、圧力レベルを台わせたため、それぞれの流速は異
なっている。この流速差は流路の長さや流れる断面積の
相違（圧力損失）から生じるものである。このように圧
力レベルを合わせたのは、流体供給源１０の動力を同一
に保つためである。

強制空冷により冷°却時間が短縮されているのがよくわ
かる。特に流速が速く（高圧力）なると、効果は非常に
大きい、実験に使用したワイヤ２の冷却時の変態（終了
）温度Ｔｂｔｒ＝４５℃に１００℃から到達するまでの
時間でみると、自然空冷で９秒かかつていたのが、圧力
０　、１　Ｍ　Ｐ　ａの空気を流すと約４秒、圧力０．
２ＭＰａの空気を流すと約０．８秒となり、本発明の冷
却時間は従来に比べると、それぞれ約２分の１，１０分
の１に短縮され、効果の大きいことがわかる。また、本
実験ではタイプＡとＢで差はあはり認められなかったが
、円管８の長さがもつと長くなった場合などは差が出る
ものと考えられる。このため、状況に応じてタイプＡ、
Ｈの選択が必要となる。

以上の述べた駆動装ｗ１は１個でも利用できるが、複数
個用いて装置を構成し、それぞれを個々に制御すること
により、装置全体として多数の運動ができるようにする
こともできる。

第１６図はその一例を示すロボットハンドの外観斜視図
である。駆動装置１の詳細図および説明はすでに述べた
ので省略する。ロボットハンドにおける駆動対象物７は
各々の指であり、駆動ワイヤ６の移動により関節３３を
回転させて指を動かしている。関節３３ａ、３３ｂ、３
３ｃはそれぞれ７ａ、７ｂ、７ｃにそれぞれ１個１個対
応している。３４は各指を固定している指面定板、３５
はリード線１２．２１等を挿入した配線管、３６は全体
の骨子となる中心円筒、３７は次のアームへの接続継手
である６図において、制御装置ｍ！２０や流体供給源１
０が小形のもので可能ならば、中心円筒３６の内部に収
納してもよい。

次に第１６図のロボットハンドの制御法について説明す
る。第１７図はその一例を示す略図であり、３８はポテ
ンションメータ、３９は制御装置２０内の処理装置、４
０は切換制御点、４１は切換スイッチ、４２は制御弁用
電源、４３はリード線である。実線の指７がワイヤ状形
状記憶合金２の加熱時、破線の指７′がワイヤ２の冷却
時の状態を示す。

制御装置２０内の処理装置３９にはあらかじめ指７の運
動に応じた変位（参考変位ＬＲ）力（記載されており、
ポテンショメータ３８からリード線４３ａを通して得ら
れる実際の変位りと参考変位しＲを比較することにより
、処理装置３９で加熱。

冷却の判断等の処理を行う。そして、処理結果を切換制
御点４０に送り、切換スイッチ４１を切換える。切換ス
イッチ４１の位置は加熱時、４１′の位置は冷却時であ
る。そして、ポテンショメータ３８の変位りが参考変位
ＬＲと等しくなるまでワイヤ２を加熱、あるいは冷却す
る。また、制御装置２０に制御線４３ｃを付加して、加
熱用電源１１の供給電力量を変化させて制御することも
できる。

次に加熱、冷却時の電源のＯＮ、ＯＦＦ状態を第１８Ａ
図、第１８Ｂ図に示す。第１８Ａ図の「曲げる」運動は
第１７図の指７に相熱する場合で、（イ）に示すように
、加熱用電源１１がＯＮ、（ロ）に示すように制御弁用
電源４２がＯＦＦとなる。そして、曲げている間は形状
記憶合金２の温度を変態温度ＴＡｆ’以上に保たなけれ
ばならないため、加熱しつづけなければならないのでＯ
Ｎのままである。第１８図Ｂ図の「伸ばす」運動は指７
′に相当する場合で、（イ）に示すように加熱用電源１
１がＯＦＦ、（ロ）に示すように制御弁用電源４２がＯ
Ｎとなる。ただし、冷却の場合は、形状記憶合金２の温
度が変態点Ｔ’ｙ以下に下がったら冷却する必要がない
。このため冷却用の制御弁１８はある時間ｔｘのみ開状
態にすればよい。

その他の制御法としては、加熱用電源１１と制御弁用電
源４２を両方ともＯＮにし、加熱用電源１１の電力の大
きさ及び冷却用流体の流速を調整することにより行う方
法がある。この方法は、第１７図の指７と７′の中間位
置に指を制御するのに有効であり、微妙に電力量や流速
を調整することにより、任意の位置に指を制御できる。

このときは、第１７図の制御系を一部変える必要がある
。

（発明の効果〕 本発明によれば、従来に比べ冷却効果が大きく向上する
ため、形状記憶合金の伸縮が両方とも素早く行われ、敏
速に行動する駆動装置を提供できる。また、本発明は冷
却すべく形状記憶合金のみをコンパクトに覆うことがで
きるため、大きな流路を必要とせず、少ない流量で効率
よく形状記憶合金を冷却できる。さらに本発明の流路の
一部は開放になっているため、圧力損失を低く押えるこ
とができ、流体供給源の動力は少なくてすむ。

【図面の簡単な説明】

第１．３，５，７，８．１０図は夫々本発明ののらせん
状フィンの斜視図、第１２図は本発明の細孔を有する管
の軸方向断面図、第１３．１４図は本発明の形状記憶合
金の斜視図、第１５図は本発明の効果を示す実験結果の
グラフ、第１６図はロボットハンドの斜視図、第１７図
はロボットハンドの制御系を示す図である。第１８Ａ図
及び第１８Ｂ図は第１７図の電源の制御を説明する図で
ある。 １・・・駆動装置、２・・・ワイヤ状形状記憶合金、３
・・・圧縮コイルばね、４・・・ベース、５・・・駆動
端板、６・・・駆動ワイヤ、７・・・駆動対象物、８・
・・円管、９・・・配管、１０・・・流体供給源、１１
・・・加熱用電源、１２・・・加熱用リード線、１３・
・・変位、１４゛・・・ベローズ、１５・・・内円管、
１６・・・外円管、１７・・・スペーサ、１８・・・制
御弁、１９・・・流体タンク、２０・・・制御装置、２
１・・・制御弁用リード線、２２・・・引張りコイルば
ね、２３・・・中心軸、２４・・・プーリ。 ２５・・・支柱、２６・・・三方弁、２７・・・らせん
状フィン、２８・・・細孔、２９・・・主流、３０・・
・細孔からの流れ、３１・・・コイル状形状記憶合金、
３２・・・板状形状記憶合金、３３・・・関節、３４・
・・指面定板。 ３５・・・配線管、３６・・・中心円筒、３７・・・接
続継手、３８・・・ポテンショメータ、３９・・・処理
装置、４０・・・切換制御点、４１・・・切換スイッチ
、４２・・・制御弁用電源、４３・・・制御線。 拓１図 Ｃ 第Ｚ図 洒　３　図 Ｚ４図 第　５　図 て６図 Ｚ　７　図 ３ ■３図 ・硅 γｑ図 罵ｌρ図 不１２図 １５　ノ３　図 第　１５　図 冷去Ｐ時間　ｔ　（ｆＰ）−ジ ”ｌ’ｉ　ＩＨＡ図 ＩＮ （口λ　ρＦＦ□ ５１２１８図 Ｎ （４ン　ＯＦＦ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、形状記憶合金製の第１の部材と、該部材にパイアス
   カを付与する第２の部材とを組み合わせ、第１の部材を
   加熱、冷却することにより第１の部材の回復力と第２の
   部材のパイアスカの大小関係を逆転させて反復運動を行
   わせる駆動装置において、第１の部材のみを囲む流路を
   設け、流路の一部を開放にして、第１の部材を冷却する
   流体が該流路を強制的番；流れるように構成したことを
   特徴とする駆動装置。 ２、第２の部材として弾性体を用いたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の駆動装置。 ３、第２の部材として形状記憶合金を用い、第２の部材
   のみを囲む流路を設け、流路の一部を開放にして、第２
   の部材を冷却する流体が該流路を流れるように構成した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の駆動装置
   。 ４、流路として管を用い、管の一端もしくは両端を開放
   にして、管軸に沿って流体が強制的に流れるように構成
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１．２．３項の
   いずれか１項記載の駆動装置。 ５、管の流体入口部に流体の流量を調整する制御弁と流
   体タンクを接続し、流体を流体タンクより管内に供給し
   、管の開放部より周囲雰囲気中へ放出するように構成し
   たことを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の駆動
   装置。 ６、管の流体出口部に流体の流量を調整する制御弁と流
   体タンクを接続し、流体を管の開放部より管内に吸入し
   、管の流体出口部より流体タンクへ排出するように構成
   したことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の駆動
   装置。 ７、流路内壁に流体の流れを乱すべく突起物を設けたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の駆動装置。 ８、流路壁に流路内と流路外とが通じる複数個の細孔を
   設け、細孔を通して流路外から流路内へ流体が流入すべ
   く構成したことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
   の駆動装置。 ９．流路の材質として絶縁材料を用いたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第４項記載の駆動装置。 １０、流路の材質として捧熱材料を用いたことを特徴と
   する特許請求の範囲第４項記載の駆動装置。 １１、冷却用流体として空気を用いたことを特徴とする
   特許請求の範囲第４項記載の駆動装置。