JPS61229977A - 直線運動型アクチユエ−タ - Google Patents

直線運動型アクチユエ−タ

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JPS61229977A
JPS61229977A JP60069079A JP6907985A JPS61229977A JP S61229977 A JPS61229977 A JP S61229977A JP 60069079 A JP60069079 A JP 60069079A JP 6907985 A JP6907985 A JP 6907985A JP S61229977 A JPS61229977 A JP S61229977A
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/14—Electrothermal mechanisms
    • H01H71/145—Electrothermal mechanisms using shape memory materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/065—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like using a shape memory element

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】 産業上の利用分野 本発明は、直線的な運動を行う直線運動型アクチュエー
タに係り、特に形状記憶合金が示す形状記憶効果を利用
して動作する直線運動型アクチュエータに関する。
従来の技術 従来、この種のアクチュエータの中で、電気によって簡
単に駆動でき、比較的に小型化が可能で、安価なものと
して、ソレノイドがよく知られている。
発明が解決しようとする問題点 しかし、前記ソレノイドには、 （イ）比較的に構造が複雑であり、現状以上の小型化お
よびコストの低減は困難である。
（ロ）低電圧で駆動することが困難でおる（低電圧で駆
動しようとすると、コイルが大型化し、ひいては装置全
体が大型化してしまう）。
（ハ）ストロークと力との関係の非線形性が強い。
（ニ）ストロークを大きく取れない。
（ホ）プランジャ型ソレノイドでは、可動鉄芯が動いて
固定鉄芯にぶつかるときに衝突音が発生する。また、固
定鉄芯のない無音響型ソレノイドも開発されているが、
この無音響型ソレノイドは、プランジャ型ソレノイドに
比べると、鉄の量が少なくなっているので力が小ざくな
ってしまう。
（へ）一般に、アクチュエータには動作開始時に大きな
負荷が掛ることが多いのに、その動作開始時の力が弱い
。
等の欠点があった。
発明の目的 本発明は、前記従来の問題点を解決するためになされた
もので、形状記憶合金を用いて、構造が極めて簡単で、
著しい小型化が可能であり、製造コストを非常に安くす
ることができ、低電圧で駆動でき、動作特性が従来のソ
レノイドより線形に近く、ストロークも比較的に大きく
とれ、実質的に無音で動作し、動作開始時の力が大きく
、かつ形状記憶合金の加熱時の温度分布の偏りを小さく
することができる直線運動型アクチュエータを提供する
ことを目的とする。
問題点を解決するための手段 本発明による直線運動型アクチュエータは、形状記憶合
金支持手段と、この形状記憶合金支持手段に対し直線方
向に移動可能な可動体と、前記直線方向を横切る状態と
なるように、両端部を前記形状記憶合金支持手段に支持
されるとともに、中間部を前記可動体に、少なくとも前
記直線方向に関しては該可動体に対して相対移動不可能
なように連係された線状の形状記憶合金と、前記可動体
を前記直線方向の一方の向きに付勢しかつそれによって
同時に前記形状記憶合金に伸び変形を与えようとするバ
ネ、ゴム、錘等の付勢手段とを有してなるものである。
作用 本発明においては、形状記憶合金が冷却しているときは
、付勢手段の付勢力により、可動体は一方の側に偏倚さ
れており、またこのとき、形状記憶合金は伸び変形を受
け、可動体との連係部において屈曲された状態となって
いる。
次に、このような状態から、形状記憶合金を適当な温度
にまで加熱すると、形状記憶合金がマルテンサイト相か
ら母相への逆変態を行い、記憶形状の全長に戻ろうとす
る形状回復力が発生し、該合金は前記付勢手段に抗して
縮み、真直ぐな状態に近付こうとするので、可動体は他
方の側へ移動する。
実施例 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。
第１図および２図は、本発明の一実施例を示す。この実
施例において、底部１ａを有する円筒状の電気絶縁体か
らなる本体１の開口端には、やはり電気絶縁体からなる
蓋板２が取付けられており、この蓋板２の中心部には、
ガイド孔３が、本体１の軸線方向に貫通されている。前
記ガイド孔３には、大略のところ短い丸棒状をなしてい
る可動体４が、本体１の軸方向に移動可能に嵌合されて
いる。前記可動体４の一端部（本体１の底部側１ａ側の
端部）付近には、合金挿通孔５が径方向に貫通されてお
り、この合金挿通孔５には、Ｔｉ−Ｎｉ合金からなる線
状の形状記憶合金６が挿通されている。そして、この形
状記憶合金６の両端部は、本体１の内周壁に固定されて
いる。
ここにおいて、前記形状記憶合金６は、その全長しが本
体１の内径とほぼ同じになるか、または若干短くなるよ
うな形状を記憶してＧ）る。そして、これにより該合金
６は、前記記憶形状時の全長し、ないしはそれに近い長
さにまで復帰すると、第２図のように本体１の径方向に
真直ぐに掛は渡された状態となるようになっている。な
お、後に明らかになるように、本発明においては、形状
記憶合金の伸び変形からの形状回復力を利用してアクチ
ュエータを動作させるので、形状記憶合金６は前記全長
しとなる形状を記憶していさえすれば、真直ぐな形状を
記憶していてもよいし、湾曲した形状を記憶していても
よい。
前記本体１の底部１ａと該底部１ａ側の可動体４の端部
との間には、引っ張りコイルバネ７が介装されており、
このバネ７は可動体４を本体１の底部１ａ側に付勢して
いる。
前記形状記憶合金６の両端は、それぞれ制御回路８の出
力に接続されている。この制御回路８は、形状記憶合金
６に適当な大きさの電流（好ましくはパルス電流）を流
すことができるようになっている。
次に、本実施例の作動を説明する。
形状記憶合金６が制御回路８から通電を受けておらず、
冷却しているときは、バネ７の付勢力により、可動体４
は第１図に示すように本体１の底部１ａ側に偏倚され、
本体１側に最も引っ込んだ状態となっている。また、こ
のとき、形状記憶合金６は伸び変形を受け、合金挿通孔
５部分において若干屈曲された状態となっている。
次に、このような状態から、制御装置１１より形状記憶
合金６に通電し、該合金を適当な温度にまで加熱すると
、形状記憶合金６がマルテンサイト相から母相への逆変
態を行い、記憶形状の全長りに戻ろうとする形状回復力
が発生するので、該合金６は縮み、第２図のように真直
ぐな状態となる。そして、これにより、可動体４は、バ
ネ７に抗して本体１の底部１ａから遠ざかる方向に移動
し、蓋板２から本体１の外部により大きく突出した状態
となる。
次に、通電を停止し、形状記憶合金６が冷却づると、該
合金６は形状回復力を失うので、再び形状記憶合金６は
バネ７の力により伸び変形を受け、可動体４は本体１の
底部１ａ側に引き戻され、第１図の初期状態に戻る。
したがって、形状記憶合金６への通電および通電停止を
繰り返すことにより、可動体４を直線往復運動させるこ
とができる。
第３図は、本実施例における形状記憶合金６の伸びΔＬ
と可動体４の変位Ｘとの関係を示す。ここでは、形状記
憶合金６の記憶形状時の全長しが本体１の内径に等しい
ものとして考えると、同図における幾何学的関係から明
らかなように、（（Ｌ＋八へ）／２）２＝ｘ２＋（Ｌ／
２＞２Ｘ＝−Ａ／７ である。ここにおいて、形状記憶合金６の伸びΔＬとこ
れに対応する該合金６の形状回復力との関係は容易に知
ることができるので、本アクチュエータでは、可動体４
の変位とアクチュエータが発生する力との関係も容易に
知ることができ、このことはアクチュエータの設計を容
易にする。
また、上記説明から明らかなように、本アクチュエータ
は構造が極めて単純で、かつ部品点数を極めて少なくす
ることができるので、極小化およびコストの低減が容易
となる。
また、本アクチュエータでは、変位と力との関係が放物
線の一部に近い形となり、ソレノイドの場合より線形に
近くなる。
また、形状記憶合金６を加熱するに要する電流は小ざい
ので、本アクチュエータでは、低電圧でも動作可能であ
る。
また、本アクチュエータでは、ソレノイドに比較してス
トロークを大きくすることができる。
また、もちろん、従来のプランジャ型ソレノイドのよう
に衝突音を生じることもないし、無音響型ソレノイドの
ように力が弱くなることもない。
また、形状記憶合金６の形状回復力は、該合金が大きく
変形されているときほど大きいので、本アクチュエータ
では、動作開始時点で最も大きな力を出すことができる
。
また、従来の形状記憶合金利用のアクチュエータにおい
ては、コイル状に巻かれた形状記憶合金がよく使用され
ているが、その場合、形状記憶合金にコイル形状を記憶
させるためのコストが高くなってしまう。しかるに、本
アクチュエータでは、形状記憶合金にコイル形状を記憶
させる必要がないので、これによってもコストを低減で
きる。
また、コイル状に巻かれた形状記憶合金を使用する場合
には、・形状記憶合金の温度分布の偏りが大きくなり、
形状記憶合金の一部が変態点を大きく越えて過熱されて
焼損したり、焼損しないまでも該合金の動作寿命が短く
なったり、あるいは逆に形状記憶合金の一部が十分な温
度にまで加熱されなかったりし易いが、本アクチュエー
タでは、前記のように形状記憶合金６をほぼ真直ぐな状
態で使用するので、形状記憶合金６の温度分布の偏りが
少なくなり、前記不都合の発生を防止できる。
さらに、コイル状に巻かれた形状記憶合金を使用する場
合には、主として形状記憶合金のねじり変形からの形状
回復力を利用することになるので−１大きな力を取り出
せないが、本アクチュエータでは、形状記憶合金の引張
り変形からの形状回復力を利用するので、大きな力を取
り出すことができる（形状記憶合金の横断面についてみ
てみると、ねじり変形の場合、形状記憶合金の中心側に
行くほど変形量が小ざくなってしまうので、全体として
形状回復力が小ざくなってしまうが、引張り変形の場合
は、理想的には横断面全体に渡って一様に変形するので
、全体として形状回復力が大きくなる）。
第４図から６図までは、本発明の他の実施例を示す。こ
の実施例において、電気絶縁体からなる円筒形の本体２
１には、該本体２１の径方向に延びるガイド板２２が取
り付けられている。このガイド板２２の中心部には、ガ
イド孔２３が本体２１の軸方向に貫通されている。前記
ガイド孔２３には、大略短い丸棒状をなす可動体２４が
、本体２１の軸方向に移動可能に嵌合されている。
前記可動体２４の一端部付近には、合金挿通孔２５が径
方向に貫通されており、該挿通孔２５には、Ｔｉ−Ｎｉ
合金からなる線状の形状記憶合金２６が挿通されている
。この形状記憶合金２６の両端部は、それぞれ本体２１
の内周壁に固定されている。本実施例においても、前記
形状、記憶合金２６は、その全長が本体２１の内径とほ
ぼ同じになるか、または若干短くなるような形状を記憶
しており、これにより該合金２６は、前記記憶形状の全
長ないしはそれに近い長さにまで復帰すると、第２図の
ように本体２１の径方向に真直ぐに掛は渡された状態と
なるようになっている。
前記可動体２４の他端部には、ゴム挿通孔２７が径方向
に貫通されており、このゴム挿通孔２７には、線状のゴ
ム２８が挿通されている。このゴム２８の両端は、本体
２１の内周壁にそれぞれ固定されている。そしてこれに
より、このゴム２８は、はぼ本体２１の径方向に沿って
かけ渡されており、可動体２４を図において下方に付勢
している。
前記形状記憶合金２６の両端は、それぞれ制御回路２９
の出力に接続されており、この制御回路２９は、形状記
憶合金２６に適当な大きさの電流（好ましくはパルス電
流）を流すことができるようになっている。
本実施例においても、形状記憶合金２６が制御回路２９
から通電を受けておらず、冷却しているときは、ゴム２
８の付勢力により第４図に示すように、可動体２４は図
において下方側に偏倚されており、これにより、形状記
憶合金２６は伸び変形を受け、合金挿通孔２５部分にお
いて屈曲された状態となっている。
次に、このような状態から、制御回路２９より形状記憶
合金２６に通電し、該合金を適当な温度にまで加熱する
と、前記記憶形状の全長に戻ろうとする形状回復力が発
生するので、該合金２６は縮み、第５図のように真直ぐ
な状態となる。そして、これにより、可動体２４は図に
おいて上方に移動する。
次に、通電を停止し、形状記憶合金２６が冷却すると、
該合金２６は形状回復力を失うので、再び該合金２６は
ゴム２８の力により伸び変形を受け、可動体２４は図に
おいて上方に引き戻され、第４図の初期状態に戻る。
したがって、本実施例においても、形状記憶合金２６へ
の通電および通電停止を繰り返すことにより、可動体２
４を直線往復運動させることができるほか、前記実施例
と同様の効果を得ることができる。
第７図および第８図は、本発明のさらに他の実施例を示
す。前述のように本発明によるアクチュエータでは、動
作開始時に最も大きな力を出すことができるが、形状回
復が進み、記憶形状に近付くに連れ、力が弱くなってし
まうので、場合によっては、不都合が生じることがある
。本実施例はこのような不都合を防止するためのもので
ある。
本実施例においては、蓋板２に磁石保持部２ａが一体的
に設けられており、この保持部２ａに固定された永久磁
石３２は、磁性体からなる可動体４の先端部に対向され
ている。他の構成は前記第１図から３図までの実施例と
同様である。
本実施例では、形状記憶合金６に対し通電加熱が行われ
、該合金６が記憶形状に戻って行くと、可動体４の先端
部が磁石３２に接近して行き、ついには第８図のように
磁石３２に吸着されるので、前記形状回復の進行に伴う
形状記憶合金６の形状回復力の減少を磁１５３２の磁力
で補償することができる。
ここで、磁石３２の力を比較的に小さなものとすれば、
次に通電が停止され、形状記憶合金６が冷却すると、バ
ネ７の力により可動体４が磁力に抗して磁石３２から離
間され、本体１の底部１ａ側に引き戻されると同時に、
形状“記憶合金６が再び伸び変形を受け、このアクチュ
エータは第７図の初期状態に戻る。
また、磁石３２の力を比較的に大きなものとすれば、次
に、通電が停止され、形状記憶合金６が冷却しても、バ
ネ７の力より磁力の方を大とし、可動体４が磁石３２に
吸着したままとすることができる。
なお、前記各実施例では、形状記憶合金６に直接通電し
て該合金を加熱しているが、形状記憶合金６を間接的に
通電加熱してもよいし、通電加熱以外の方法により形状
記憶合金６を加熱するようにしてもよい。
第９図および１０図は、本発明のざらに別の実施例を示
し、本発明をしゃ断器に適用した実施例である。
本実施例においては、天井部４１ａを有する段付き円筒
状の電気絶縁体からなる本体４１の一方の開口端には、
帯状をなす板バネ４２がその両端を固定されている。前
記板バネ４２の一方の面（図では、上面）の中央部には
、可動接点４３が取り付けられている。また、前記板バ
ネ４２の中央部には、短い丸棒状の可動体４４の一端部
が結合されており、この可動体４４は本体４１の軸方向
かつ可動接点４３と反対側へ延びている。
前記本体４１の天井部４１ａには、固定接点４４が固定
されており、この固定接点４４は前記可動接点４３に対
向されている。ここにおいて、板バネ４２は、通常は第
９図のように固定接点４４に対して凸となるように湾曲
して、可動接点４３を固定接点４５側に付勢しているが
、可動体４４が一定以上固定接点４５と反対側に移動さ
れると、第１０図のように固定接点４５に対して凹とな
る湾曲形状に反転し、その状態を維持するようになって
いる。
前記可動体４４の他端部には、合金挿通孔４６が径方向
に貫通されている。この挿通孔４６には、Ｔｉ−４４ｉ
合金からなる線状の形状記憶合金４７が挿通されており
、該合金４７の両端は本体４１の内周壁に固定されてい
る。
本実施例においても、前記形状記憶合金４７は、その全
長が本体４１の内径とほぼ同じになるか、または若干短
くなるような形状を記憶しており、これにより該合金４
７は、前記記憶形状の全長ないしはそれに近い長さにま
で戻ると、第１０図のように本体４１のほぼ径方向に、
はぼ真直ぐに掛は渡された状態となる。
前記形状記憶合金４７は可動体４４を介して可動接点４
３に電気的に接続されている。前記形状記憶合金４７の
両端は、本しゃ断器が挿入される電流路４８の一側に共
通に接続され、固定接点４５は電流路４８の他側に接続
される。
次に、本実施例の作動を説明する。
正常時は、形状記憶合金４７を流れる電流が所定範囲内
におるため、該合金はマルテンサイト相から母相への逆
変態開始点にまで加熱されず、形状回復力を示さないの
で、バネ４２の付勢力により、可動体４４は第９図に示
すように固定接点４５側に偏倚されており、可動接点４
３は固定接点４５に接触されている。
しかし、異常状態が発生し、電流路４８ひいては形状記
憶合金４７に所定範囲を越えた電流が流れるようになる
と、形状記憶合金４７が前記逆変態開始点以上に加熱さ
れてマルテンサイト相から母相への逆変態を行い、記憶
形状の全長に戻ろうとする形状回復力が発生するので、
該合金４７が縮んで行き、これとともに可動体４４が固
定接点４５と反対側に移動して行き、可動接点４３が固
定接点４５から離間され、電流路４８は遮断される。そ
して、ある時点で、板バネ４２が反転し、第１０図のよ
うに固定接点４５に対して凹の状態となり、形状記憶合
金４７はほぼ真直ぐな状態となり、これにより、その後
形状記憶合金４７が冷却しても、このしゃ断器は第１０
図の状態をそのまま維持する。ただし、外力を加えて板
バネ４２を第９図の状態に再反転すれば、このしゃ断器
は第１０図の状態に戻り、電流路４８を再び閉路できる
。
なお、本実施例では、形状記憶合金４７の両端−形状記
憶合金４７の中央部−可動体４４−可動接点４３−固定
接点４５の経路、またはその逆の経路で電流が流れるよ
うにされているが、形状記憶合金４７の一端一形状記憶
合金４７の他端−可動体４４−可動接点４３−固定接点
４５の経路、またはその逆の経路で電流が流れるような
構造としてもよい。
また、前記各実施例では、可動体に設けられた形状記憶
合金挿通孔に線状の形状記憶合金が挿通されているのみ
で、形状記憶合金は可動体に対して該可動体の径方向に
は拘束されていないが、これを拘束するようにしてもよ
い。
また、前記各実施例では、形状記憶合金としてＴｉ−Ｎ
ｉ合金を使用しているが、本発明においては、他の種の
形状記憶合金を使用することも可能である。
ざらに、前記実施例では、バネまたはゴムにより形状記
憶合金および可動体を付勢しているが、本発明において
は、重力（錘）その他の方法により形状記憶合金を付勢
してもよい。
発明の効果 以上のように本発明は、 （ａ）構造が極めて単純で、かつ部品点数を少なくする
ことができるので、極小化およびコストの低減が容易と
なる。
（ｂ）低電圧で駆動可能である。
（Ｃ）ストロークと力との関係が従来より線形に近くな
る。
（ｄ）ストロークを比較的大きくすることができる。
（ｅ）プランジャ型ソレノイドのような衝突音を発する
ことがなく、実質的に無音で動作させることができるし
、無音響型ソレノイドのように力が弱くなることもない
。
（ｆ）動作開始時の力を大きくすることができる。
（ｇ）形状記憶合金の加熱時の温度分布の偏りを小さく
することができる。
等の優れた効果を得られるものである。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図は本発明による直線運動型アクチュ
エータの一実施例を示す断面図、第３図は前記実施例に
おける形状記憶合金の伸びと可動体の変位との関係を示
す説明図、第４図および第５図は本発明の他の実施例を
示す断面図、第６図は該実施例を示す平面図、第７図お
よび第８図は本発明のざらに他の実施例を示す断面図、
第９図および第１０図は本発明のざらに別の実施例を示
す断面図である。 １．２１．４１・・・本体、２・・・蓋板、４，２４゜
４４・・・可動体、６．２６．４７・・・形状記憶合金
、７．４２・・・バネ、２２・・・ガイド板、２８・・
・ゴム。 第１図 第２図 第３図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 形状記憶合金支持手段と、この形状記憶合金支持手段に
    対し直線方向に移動可能な可動体と、前記直線方向を横
    切る状態となるように、両端部を前記形状記憶合金支持
    手段に支持されるとともに、中間部を前記可動体に、少
    なくとも前記直線方向に関しては該可動体に対して相対
    移動不可能なように連係された線状の形状記憶合金と、
    前記可動体を前記直線方向の一方の向きに付勢しかつそ
    れによって同時に前記形状記憶合金に伸び変形を与えよ
    うとする付勢手段とを有してなる直線運動型アクチュエ
    ータ。
JP60069079A 1985-04-03 1985-04-03 直線運動型アクチュエータ Expired - Fee Related JPH0670429B2 (ja)

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