JPS6056072B2

JPS6056072B2 - 電気−力学的エネルギ変換装置

Info

Publication number: JPS6056072B2
Application number: JP17288881A
Authority: JP
Inventors: 敬之三輪; 信洋井口; 大本間
Original assignee: WASEDA DAIGAKU
Current assignee: WASEDA DAIGAKU
Priority date: 1981-10-30
Filing date: 1981-10-30
Publication date: 1985-12-07
Also published as: JPS5875486A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、電気エネルギを力学的エネルギに変換する電
気−力学的エネルギ変換装置に係り、特に形状記憶材料
を利用した電気−力学的エネルギ変換装置にに関する。

従来のーー般的な電気−力学的エネルギ変換装置は、構
造が複雑てあり、超小型化を図ることは不可能であると
いう欠点があつた。また、従来、超小型化可能な電気−
力学的エネルギ変換装置として、形状記憶材料を利用し
たものが少数ながら提案されている。

しかしながら、これらの従来の形状記憶材料を利用した
電気−力学的エネルギ変換装置においては、（イ）例え
ば、本出願人が先に出願した特願昭５５一１３６７７吟
（特開昭５７−６６０７８号）に開示されている装置や
、日経メカニカル１９８奔１月２１日号第５６頁に記載
されている装置にみられるように、一般に、形状記憶材
料を、同材料が記憶させられている形状（以下、記憶形
状と言う）から他の形状に変形させるためのコイル状等
のバイアスばねが備えられており、これらのバイアスば
ね自体が比較的大きなスペースを占め、しかもこれらの
バイアスばねが形状記憶材料とは異つた位置に取り付け
られるので、装置を十分に超小型化することができない
。

そして、装置に複雑な動作をさせようとする場合には、
前記バイアスはねを多数必要とするのて、一層超小型化
が困難になる。（口）形状記憶材料および前記バイア
スばねが外部に露出しているのて、液体内や生体内にお
いて動作させようとする場合、（ａ）形状記憶材料を加
熱するために同材料に通電すると、電流が前記液体や生
体に流れてしまつたり、（ｂ）加熱された形状記憶材料
が直接生体に接触して生体が熱的に損傷されたり、（ｃ
）形状記憶材料および前記バイアスばねによつて生体が
機械的に損傷されたりする等の種々の不都合を生じる。

ｌ■→ 形状記憶材料から外部への単位時間当りの放熱
量を調節する手段がなく、形状変化の速度を適当な速度
に選択することが困難である。

等の欠点があつた。

本発明は、前記従来の種々の欠点を解消することのでき
る形状記憶合金等の形状記憶材料を利用した電気−力学
的エネルギ変換装置を提供することを目的とする。

本発明による電気−力学的エネルギ変換装置は、ある形
状を記憶させられている形状記憶合金等の導電性の形状
記憶材料と、この形状記憶材料に被覆された電気絶縁性
て、前記形状記憶材料より熱伝導率が小さく、弾性に富
み、かつ該弾性により、前記形状記憶材料のを前記記憶
させられている形状を異なる所定の形状に偏椅させよう
とする被覆材と、前記形状記憶材料に通電する通電手段
とを有してなるものてある。

以下本発明を図面に示す実施例に基づいてさらに詳しく
説明する。

第１ないし６図は本発明をマニピュレータに適用した実
施例を示す。

１はＴｉ−Ｎｉ合金等からなる線状の形状記憶材料であ
る。

この形状記憶材料１は、所定の記憶処理を行なわれるこ
とにより、第３図に示すような形状を記憶させられてい
る。なお、第１および２図は、形状記憶材料が後述する
被覆材２の弾性により、前記記憶形状から変形されてい
る状態を示している。前記第１ないし３図のいずれかの
状態においても、前記形状記憶材料１は、腕部３と把持
部４とを構成している。

そして、前記腕部３は、コイル状に巻かれたコイル状部
５と、このコイル状部５の両端に連続する直線状部６，
７とからなつている。また、前記把持部４は、直線状部
６のコイル状部５とは反対側の端部に連続しており、全
体として二股状となるように湾曲されている。ただし、
前記記憶形状（第３図の状態）においては、コイル状部
５は収縮した状態、把持部４は閉じた状態にある。

前記形状記憶材料１には、シリコンゴム等の柔軟で、弾
性に富み、電気絶縁性で、かつ形状記憶材料２より熱伝
導率の小さい材料からなる被覆材２が被覆されている。

前記被覆材２は、外力により変形されても、その弾性に
より、第１図の状態に復帰しようとする性質を付与され
ている。このような性質は、例えば、前記形状記憶処理
後、形状記憶材料１を第１図の状態に変形し、その状態
で液体状の被覆材２に浸漬することにより同材料１に被
覆材２を被覆するという方法によつて、簡単に付与する
ことがてきる。なお、前記第１図の状態においては、形
状記憶材料１のコイル状部５は伸長状態、把持部４は開
いた状態となつている。

また、第４図ないし６図によく示されるように、前記直
線状部６，７および把持部４は、被覆材２の断面の図心
に位置されているが、コイル状部５は前記図心より大き
く外れた位置に位置されている。

前記形状記憶材料１の把持部４側の端部８は導線９およ
びスイッチＳ１を介して電源１０の一方の出力端子に、
腕部３側の端部１１は導線１２およびスイッチＳ２を介
して電源１０の前記出力端子にそれぞれ接続されている
。

また、形状記憶材料１の把持部４と腕部３との境界点１
３は導線１４を介して接地されている。また、前記電源
１０の他方の出力端子も接地されている。なお、第１な
いし６図ては、図面が煩雑とならないようにするために
、各導線９，１２，１４が形状記憶材料１との接続点の
すぐ近傍において被覆材２から引き出されているかのよ
うに描いてあるが、実際には、各導線９，１２，１４は
、ほぼ形状記憶材料１に沿つて被覆材２に埋め込まれて
おり、被覆材２の腕部３側の端部において同被覆材２か
ら引き出されている（ただし、各導線９，１２，１４は
、前記各接続点以外においては形状記憶材料１に接触し
ないようにされている）。

次に、本実施例の動作を説明する。スイッチＳ１を閉じ
れば、電源１０から導線９，１４を通じて、形状記憶材
料１のうちの端部８と境界点１３との間、すなわち把持
部４に電流が流れるので、同把持部４がジュール熱によ
り発熱する。

そして、これにより、把持部４の温度が・一定以上にな
ると、同把持部４は第２図のように被覆材２の弾性に抗
して記憶形状に復帰する。すなわち、把持部４は閉じら
れる。このようにして把持部４を閉じさせることにより
、同把持部４に所望の対象物を把持させること―ができ
る。

次に、スイッチＳ２を閉じれば、電源１０から導線１２
，１４を通じて、形状記憶材料１のうちの端部１１と１
３との間、すなわち腕部３に電流が流れるので、コイル
状部５もジュール熱によりノ発熱する。

そして、これにより、同コイル状部５の温度が一定以上
になると、同コイル状部５は記憶形状、すなわち収縮状
態に復帰する。すると、コイル状部５が被覆材２の断面
の図心から外れた位置に存在しているため、被覆材２の
弾性に抗して腕部３は第３図のように屈曲する。次に、
スイッチＳｌ，Ｓ２をそれぞれ開けば、把持部４および
コイル状部５への通電が停止され、これらの部分が冷却
するので、被覆材２の弾性による復元力により、把持部
４は開いた状態、コイル状部５は伸長状態、すなわち第
１図の状態にふたたび変形される。なお、スイッチＳ２
のみを閉じた状態とすれば、把持部４が開き、かつコイ
ル状部５が屈曲した状態となることは言うまでもない。

本実施例では、従来、コイル状等のバイアスばねに果た
せていた機能を被覆材２に果たさせるので、前記バイア
スばねが不要になる一方、被覆材２自体か占めるスペー
スは極僅かであり、しかもこの被覆材２は形状記憶材料
１に沿つて存在し、実質上形状記憶材料１と同一位置に
存在することになるので、装置を超小型化することがで
きる。

従つて、例えば生体内等の非常に狭隘な場所にも挿入す
ることも可能になる。また、被覆材２は、電気絶縁性と
されているので、液体内や生体内において形状記憶材料
１に通電しても、液体や生体に電流が流れるという支障
を生じることがない。

また、被覆材２は、形状記憶材料１より熱伝導率が低い
ので、例えば生体内において形状記憶材料１が通電加熱
されても、被覆材２の断熱効果により、生体等が熱的に
破壊されるのを防止することができる。また、形状記憶
材料１が弾性に富む被覆材２により被覆されているので
、生体内等に挿入された場合に、形状記憶材料１により
生体等が機械的に損傷されるのを防止することができる
。

また、被覆材２の熱伝導率を適当に選択することにより
、形状記憶材料１の加熱時および冷却時の温度上昇およ
び下降の速度、ひいては形状記憶材料の形状変化の速度
を適当に調整することができる。

なお、本実施例では、コイル状部５の収縮・伸長により
腕部３が屈伸されるようになつているが、腕部３にコイ
ル状部５を設けないで、単純な線状の腕部３に屈曲した
形状を記憶させても、同様の動作を行なわせることが可
能である。

しかし、このようにした場合には、腕部３が屈曲しよう
とする際の力、すなわち記憶形状に復帰しようとする力
を大きくするためには、形状記憶材料１の線径を太くし
なければならない。

ところが、形状記憶材料１の線径をある程度以上太くす
ると、同材料１を変形させようとするときの抵抗力が大
きくなるので、被覆材２の弾性をあまり大きくできない
場合には、形状記憶材料１が冷却したときに、前記のよ
うに被覆材２の弾性によつて腕部３を記憶形状から第１
または２図の真直な形状に戻すことが困難となる。しか
るに、本実施例のように被覆材２の断面の図心から離れ
た位置にコイル状部５を設け、このコイル状部５の収縮
により、腕部３を屈曲させるようにすれば、形状記憶材
料１の線径を比較的細くしても、大きなりで把持部４を
屈曲させることができる。

したがつて、形状記憶材料１の線径を細くできるので、
冷却時に把持部４を被覆材２の弾性による復元力によつ
て十分に、第１または２図の形状に戻すことができる。
なお、コイル状部５に伸長した状態を記憶させ、同コイ
ル状部５が伸長したときに腕部３が屈曲するようにして
も同様の効果を得ることができる。

また、本発明による形状記憶材料としては、前記Ｔｉ−
Ｎｉ合金の外に、Ｃｕ−Ｚｎ．．Ｃｕ−Ｚｎ−ＡＩｌＣ
ｕ−Ｚｎ−Ｇａ，．Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｎ．．Ｃｕ−Ｚｎ−
Ｓｉ．．Ｃｕ一Ｎ−Ｎｉ．．Ｃｕ−Ａｕ−Ｚｎ，，Ｃｕ
−Ｓｎ．．Ａｕ−Ｃｄ，．Ａｇ−Ｃｄ．Ｎｉ−Ｔｉ−Ｘ
（Ｘは第三元素）、Ｎｉ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｐｔ等の合金、
その他あらゆる形状記憶材料が使用可能なことも言うま
でもない。

また、本発明においては、形状記憶材料および被覆材の
形状は前記実施例のような形状に限られないことは言う
までもない。

また、前記実施例は、本発明をマニピュレータに適用し
た例であるが、本発明は、他の用途の電気一力学的エネ
ルギ変換装置にも適用できるものである。

以上のように本発明による電気−力学的エネルギ変換装
置は、導電性の形状記憶材料を、電気絶縁性で、前記形
状記憶材料より熱伝導率が小さ”く、かつ弾性に富む被
覆材によつて被覆し、同被覆材がその弾性によつて前記
形状記憶材料を、記憶形状と異なる所定の形状に偏椅さ
せようとするようにしたことにより、（イ）バイアスば
ねが不要になる一方、バイアスばねに代わつて形状記憶
材料をバイアスする被覆材自体が占めるスペースは極僅
かであり、しかもこの被覆材は形状記憶材料に沿つて存
在し、実質上形状記憶材料と同一位置に存在することに
なるので、従来のこの種の装置よソー層装置の超小型化
を図ることができる。

（ロ）電気絶縁性の被覆材により形状記憶材料が被覆さ
れているのて、液体内や生体内等において、形状記憶材
料に通電しても液体や生体等に電流が流れることがない
。

（ハ）形状記憶材料が同材料より熱伝導率の小さい被覆
材によつて被覆されているので、形状記憶材料が通電加
熱された場合に、装置に接触する物質、例えば生体等が
熱的に破壊されるのを防止することができる。

（二）形状記憶材料が被覆材によつて被覆されているの
で、装置に接触する物質、例えば生体等が機械的に損傷
されるのを防止することができる。

（ホ）被覆材の熱伝導率を適当に選択することにより、
形状記憶材料の加熱時および冷却時の温度上昇および下
降の速度、ひいては形状記憶材料の形状変化の速度を調
整することができる。

等の優れた効果を得られるものてある。

【図面の簡単な説明】

第１ないし３図は本発明による電気−力学的エネルギ変
換装置の一実施例をそれぞれ異なつた状態において示す
縦断面図、第４図は第１図の■一■線における断面図、
第５図は第１図の■−■線における断面図、第６図は第
１図の■−■線における断面図である。１・・・・・・形状記憶材料、２・・・・・・被覆材、
１０・・・・・・電源、Ｓｌ，Ｓ２・・・・・・スイッ
チ。

Claims

【特許請求の範囲】

１ある形状を記憶させられている導電性の形状記憶材
料と、この形状記憶材料に被覆された電気絶縁性で、前
記形状記憶材料より熱伝導率が小さく、弾性に富み、か
つ該弾性により、前記形状記憶材料を前記記憶させられ
ている形状と異なる所定の形状に偏椅させようとする被
覆材と、前記形状記憶材料に通電する通電手段とを有し
てなる電気−力学的エネルギ変換装置。