JP2005533956A - 形状記憶合金アクチュエータ - Google Patents

Abstract

形状記憶合金アクチュエータは、第１と第２の位置間で移動するボデー３０と、ボデーを第１の位置に保持する解除式保持手段４７、４８と、ニチノールなどの形状記憶合金の第１のワイヤ３１と第２のワイヤ４９であって、第１のワイヤの長さが短縮してボデーを第２の位置から第１の位置へ移動させる力をボデーに及ぼすよう第１のワイヤの一端がボデーに接続されたものと、ボデーを第１の位置から第２の位置へ移動させるためにボデーを付勢する引張りばね４３とを備え、第２のワイヤは保持手段に接続された一端を有し、第２のワイヤの長さが短縮することで保持手段を解除して付勢手段がボデーを第１の位置から第２の位置へ移動させ、アクチュエータはさらに、一方のアームの端が引張りばね４３に取り付けられ、他方のアーム３９の端がボデー３０の突起部４０に当接した２本アームレバー３２をさらに含み、ばね４３の力がレバー３２によりボデーに伝達される。

Description

本発明は、第１と第２の位置の間に移動可能に配置されたボデーと、前記ボデーを第１の位置に保持するよう形成された解除可能な保持手段と、ニチノール（nitinol）などの形状記憶合金で作られた少なくとも１つの第１のワイヤ及び少なくとも１つの第２のワイヤであって、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーを前記第２の位置から第１の位置へ移動させる力を前記ボデーに及ぼすよう前記第１のワイヤの一端が前記ボデーに接続されたものと、から構成される形状記憶合金アクチュエータに関する。

本発明の目的は、安価に製造でき、効率的に使用できる形状記憶合金アクチュエータを提供することにある。

前記目的は、前記アクチュエータがさらに、前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるために前記ボデーを付勢するよう配置、形成された引張りばね、圧縮ばね、真っ直ぐなまたは弓状のフラットばね、ピストン及びシリンダ機構などの付勢手段をさらに備え、前記第２のワイヤの長さが短縮することによって前記保持手段を解除し、これによって前記付勢手段が前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させることができるよう前記第２のワイヤが前記保持手段に接続された一端を有することによって達成される。

機械的に効率がよく、形状記憶合金ワイヤの損傷に対して保護されたアクチュエータを得るため、前記ボデーが移動可能にフレームに取り付けられ、前記第１及び第２の各ワイヤの一端が前記フレームに取り付けられ、他端が前記ボデーと前記つめにそれぞれ接続され、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーに第１の方向へ移動させる力を及ぼし、前記第２のワイヤの長さが短縮することによって前記つめに前記保持位置から前記解除位置へ回転させる力を及ぼし、前記付勢手段が前記フレームに取り付けられて前記ボデーに前記第１の方向とは反対の第２の方向への移動力を及ぼし、ここで、前記付勢手段は、レバーやディスクなどの回転可能に配置された中間メンバを回転軸回りに第１の角度位置から第２の角度位置への第１の回転方向へ回転させるために前記中間メンバに回転力を付与するよう配置、形成され、前記中間メンバの前記第１の回転方向の回転が前記ボデーを前記第２の方向へ移動させるよう前記中間メンバが力伝達点で前記ボデーに接続され、前記付勢手段と前記中間メンバは、前記回転軸に対する前記回転力のレバーすなわちモーメントアームが、前記中間メンバが前記第１の角度位置にあるときよりも前記中間メンバが前記第２の角度位置にある時の方がより大きく、これによって前記中間メンバが前記第１の回転方向に回転するときに前記回転力のレバーすなわちモーメントアームが増加するように配置、形成され、及び／又は、
前記中間メンバと前記ボデーは、前記回転力が、前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるために前記伝達点に付与される移動力として前記ボデーに伝達され、前記回転軸に対する前記移動力のレバーすなわちモーメントアームが、前記中間メンバが前記第２の角度位置にあるときよりも前記中間メンバが前記第１の角度位置にある時の方がより大きく、これによって前記回転軸に対する前記移動力のレバーすなわちモーメントアームが、前記中間メンバが前記第１の回転方向へ回転するときに減少するよう配置、形成されている。

本発明はさらに、第１と第２の位置の間で移動可能に形成されたボデーと、ニチノールなどの形状記憶合金で作られた少なくとも１つの第１のワイヤであって、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーを前記第２の位置から第１の位置へ移動させる力を前記ボデーに及ぼすよう前記第１のワイヤの一端が前記ボデーに接続されたものと、引張りばね、圧縮ばね、真っ直ぐなまたは弓状のフラットばね、ピストン及びシリンダ機構などの付勢手段と、前記ボデーと前記付勢手段とに接続されたレバーやディスクなどの回転式の中間メンバとから構成され、前記付勢手段は、前記中間メンバを回転軸回りに第１の角度位置から第２の角度位置への第１の回転方向へ回転させるために前記中間メンバに回転力を及ぼすよう形成され、前記中間メンバの前記第１の回転方向の回転が前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるよう前記中間メンバが前記ボデーに接続され、前記付勢手段と前記中間メンバは、前記回転軸に対する前記回転力のレバーすなわちモーメントアームが、前記中間メンバが前記第１の角度位置にあるときよりも前記中間メンバが前記第２の角度位置にある時の方がより大きくなるよう配置、形成され、これによって前記中間メンバが前記第１の回転方向に回転するときに前記回転力のレバーすなわちモーメントアームが増加する形状記憶合金アクチュエータに関する。

これによって形状記憶合金ワイヤの収縮力の変動てこ比が得られ、さらには前記付勢手段の動作移動力の変動するてこ比が得られ、これによって形状記憶合金ワイヤの効率的な利用が図られ、形状記憶合金ワイヤは動作する目的物がブロックされても損傷または切断から保護され、形状記憶合金の変態点まで加熱されるにしたがって形状記憶合金ワイヤにより付与される力が減少する間に増加する動作力が与えられる。

これらの利点は、第１と第２の位置の間で移動可能に形成されたボデーと、ニチノールなどの形状記憶合金で作られた少なくとも１つの第１のワイヤであって、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーを前記第２の位置から第１の位置へ移動させる力を前記ボデーに及ぼすよう前記第１のワイヤの一端が前記ボデーに接続されたものと、引張りばね、圧縮ばね、真っ直ぐなまたは弓状のフラットばね、ピストン及びシリンダ機構などの付勢手段と、前記ボデーの力伝達点で当該ボデーに結合され、かつ前記付勢手段に接続または一体にされたレバーやディスクなどの回転式の中間メンバとを含み、前記付勢手段は、前記中間メンバを回転軸回りに第１の角度位置から第２の角度位置への第１の回転方向へ回転させるために前記中間メンバに回転力を及ぼすよう形成され、前記中間メンバの前記第１の回転方向の回転が前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるよう前記中間メンバが前記ボデーに接続され、前記中間メンバと前記ボデーは、前記回転力が、前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるために前記伝達点に付与される移動力として前記ボデーに伝達され、前記回転軸に対する前記移動力のレバーすなわちモーメントアームが、前記中間メンバが前記第２の角度位置にあるときよりも前記中間メンバが前記第１の角度位置にある時の方がより大きく、これによって前記回転軸に対する前記移動力のレバーすなわちモーメントアームが、前記中間メンバが前記第１の回転方向へ回転するときに減少するよう配置、形成された形状記憶合金アクチュエータにより、代替として、または追加して達成される。

他の態様では、本発明は、好ましくは上述したいずれかの記載にかかる形状記憶合金アクチュエータを含む形状記憶合金モータに関し、前記形状記憶合金アクチュエータは、第１の位置と第２の位置との間で移動可能に配置されたボデーと、ニチノールなどの形状記憶合金で作られた少なくとも１つの第１のワイヤであって、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーを前記第２の位置から第１の位置へ移動させる第１の移動力を前記ボデーに及ぼすよう前記第１のワイヤの一端が前記ボデーに接続されたものと、引張りばね、圧縮ばね、真っ直ぐなまたは弓状のフラットばね、ピストン及びシリンダ機構などの付勢手段であって、前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるための第２の移動力を前記ボデーに及ぼすよう配置、形成されたものと、第１及び第２の回転方向を有するギアとを有し、前記ボデーは前記ギアの隣接する２つの歯の間に係合するよう形成された部分を有し、前記ボデーと前記ギアは、前記第１の位置において前記部分が前記ギアの一対の歯の間に位置し、前記第２の位置において前記ギアの第２の回転方向にある前記ギアの隣接する一対の歯の間に前記部分が位置し、これによって前記第２の移動力が前記ボデーをして前記ギアを前記第１の方向へ回転せしめる。

最後の態様では、本発明は、好ましくは上述したいずれかの記載にかかる形状記憶合金アクチュエータを含む形状記憶合金モータに関し、前記形状記憶合金アクチュエータは、第１の位置と第２の位置との間で移動可能に配置されたボデーと、ニチノールなどの形状記憶合金で作られた少なくとも１つの第１のワイヤであって、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーを前記第２の位置から第１の位置へ移動させる第１の移動力を前記ボデーに及ぼすよう前記第１のワイヤの一端が前記ボデーに結合されたものと、引張りばね、圧縮ばね、真っ直ぐなまたは弓状のフラットばね、ピストン及びシリンダ機構などの付勢手段であって、前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるための第２の移動力を前記ボデーに及ぼすよう配置、形成されたものと、第１及び第２の移動方向を有するラックとから構成され、前記ボデーは前記ラックの隣接する２つの歯の間に係合するよう形成された部分を有し、前記ボデーと前記ラックは、前記第１の位置において前記部分が前記ラックの一対の歯の間に位置し、前記第２の位置において前記部分が前記ラックの第２の移動方向にある前記ギアの隣接する一対の歯の間に位置し、これによって前記第２の移動力が前記ボデーをして前記ラックを前記第１の方向へ移動せしめる。

以下に、単に例示目的である添付図面に表示された各種の本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータの実施の形態に関連し、本発明の各種態様をより詳細に説明する。

図１、２において、円形のディスク１の形態をした回転式ボデーが、アクチュエータの図示しないフレームに固定された中心ピボット２の周囲に回転可能に配置され、ディスク１には、外周延長部３と、ヨーク状の外周延長部５とが設けられている。引張りコイルばね６が、その一端を前記フレームに固定された固定ピン７に回転可能に取り付けられ、他端を外周延長部３に固定された固定ピン８に回転可能に取り付けられている。

例えば米国カリフォルニア州コスタメサのDYNALLOY,INC社からFLEXINOLの商標名で供給されているニッケル・チタン合金、すなわちニチノールなどの形状記憶合金による２つのワイヤまたはフィラメント９、１０が、その端末を前記フレームに固定された導電端子１１、１２にそれぞれ取り付けられる。

ワイヤ９、１０の他端は、ディスク１の外周に固定された導電端子１３に取り付けられている。ワイヤ９、１０はディスク１の外周に沿って延び、ピンと張った時にはワイヤ９、１０は前記外周の沿って延び、外周に支持されている。明確化のため、図面ではワイヤ９、１０を前記外周から離れて表示している。

２つのアーム１５、１６を有するスライドボデー１４が、フレームに取り付けられたストップピン１７、１８の間でスライド移動可能に配置されている。スライドボデー１４に取り付けられたピン１９がヨーク状の延長部５のフォーク５ａ内に嵌まり、ディスク１が図１に示す位置から図２に示す位置に回転したときにピン１９が前記フォーク内で自由にスライド可能である。これによって前記ボデー１４をストップピン１８に当接した位置からストップピン１７に当接した位置までスライドしながら移動し、アクチュエータの作動ピンを構成するアーム１５を最大限に伸展する。

接近センサ２０が前記フレームに取り付けられ、図示しない導電材に接続されてセンサから図示しないレシーバへ信号を伝達する。同様に端子１１、１２もそれぞれ図示しない電源に接続された導電材に接続されてワイヤ９、１０を抵抗可熱するために電力を供給し、端子１３も同様にして、前記抵抗加熱回路を閉じるために図示しない導電材を介して電源に接続される。

使用時において、ワイヤ９、１０は間欠的に前記形状記憶合金の変態点すなわち転移温度（マルテンサイトからオーステナイトへ変態）まで加熱される。ニチノールの場合にはこの温度は約９０℃である。これによってワイヤの長さが収縮する。ワイヤが９０℃以下に冷却されると長さは元に戻り、すなわちワイヤが延びる。収縮する際のスピード、すなわち収縮時間は、電流すなわち端子１１、１２、１３に印加される電圧と直に比例する。

図１に示す位置で、中間ディスク１は最も反時計側の位置にあり、ワイヤ９は９０℃以下に冷却され、ワイヤ１０は端子１２と１３の間に電圧が印加されて電流が流れることで９０℃以上に加熱されてアーム１５を最も引き込んだ位置にする。このためディスク１は、ワイヤ１０による収縮力で反時計周りに回転した位置にある。

次のステップにおいてワイヤ１０が９０℃以下に冷却され、これによって図１の破線１０ａに示す状態に延びる。ここでアクチュエータはアーム１５を左方向へ延ばす準備が整い、アーム１５の端部が図示しないレバー、プランジャ、ボタン、その他同様のものに接触してアーム１５が図２に示す左側に伸展した位置まで移動するまでこれを押し込み、すなわち動作させることが意図される。

その後、あるいはそれと同時に、ワイヤ９が９０℃以上に加熱され、これによって収縮してディスク１に時計回りの力を及ぼし、ばね６の取り付けピン７、８とピボット２とが一直線となるディスク１とばね６のバランス位置を越えてディスク１をピボット２の周囲に時計回りに回転させる。

ディスク１が前記バランス点を越えて時計回りに回転すると、ばね７による引張り力がディスク１を図２に示す位置まで継続して時計回りに回転させ、アーム１５が最大に伸展し、ワイヤ９はいまだ９０℃以上であっても緩む。これがアクチュエータの実際の動作移動であり、延長部５によりスライドボデー１４に加えられる力は増加する。というのは、ピボット２すなわちディスク１の回転軸に対して中間ディスク１に加わるばね６の引張り力のレバーすなわちモーメントアームが増加するためである。

例えばポンプピストンを押し込むなどの前記アクチュエータの機能を実施するために必要な力が前記動作ストロークの間に増加するような多くの適用例では、上述したディスク１の回転にしたがって前記ばね力のモーメントアームが増加することは非常に有利な特性であり、以下に図１１、１２に関連してより詳細に説明する。

前記動作ストローク中のアクチュエータの動作力の増加はまた、動作ストロークの間においてピボット２すなわちディスク１の回転軸からのピン１９の距離を短くすることによっても達成され、あるいは強化される。これによって、モーメントアームすなわちヨーク状延長部５によりピボット２に対してピン１９に加わる移動力のレバーが減少し、このため動作ストローク間で前記移動力が増加する。上述した距離の短縮は、動作ストロークの開始時における図１に示す状態から動作ストロークの最終における図２に示す状態への変化から見ることができる。

最後に、ワイヤ１０が９０℃以上に加熱されて収縮し、ディスク１を図１に示す位置まで回転して戻し、これによって動作サイクルを繰り返す準備が整う。

ワイヤ１０の長さは、ワイヤ９の長さよりも長い。というのは、ワイヤ１０の収縮または短縮は、上述のバランス点を越えた図２に示す位置からディスク１を回転させるに十分大きなものでなければならないのに対し、ワイヤ９の短縮化は、ディスク１を図１に示す位置から前記バランス点を越えるに十分なものでありさえすればよいことによる。

ニチノールワイヤは、変態点を越えて加熱されると典型的には３％〜６％ほど収縮する。ワイヤ１０の非収縮時の長さは、非収縮状態のワイヤが図２に示す位置で最大限に伸び、収縮状態にはディスク１が前記バランス点を反時計回りに少なくとも僅かでも越えたときに最大限に伸びていることを確保するに十分なものでなければならない。すなわち、ワイヤ１０の非収縮時の長さは、端子１３が図２に示す位置と前記バランス点の位置との間で移動する距離の２２〜２５倍ほどでなければならない。

ワイヤ９と１０とによって与えられる必要な収縮力にはかなりの差がある。というのは、ワイヤ９の収縮力は、図１に示す比較的小さなトルクアームのばね６による付勢力のトルクまたはモーメントに打ち勝てばよいのに対し、ワイヤ１０の収縮力は、図２に示す前記ばね力によるかなり大きなトルクに打ち勝たねばならないからである。ニチノールワイヤの収縮力は、ワイヤの径または断面積が大きいほど大きい。このため、ワイヤ１０の断面積はワイヤ９の断面積よりもかなり大きく、あるいはワイヤ１０を同一断面積の複数のもので構成してもよい。

上述した後者の可能性は、動作サイクル時間の間隔をできるだけ短くするためにワイヤ１０の冷却時間をできるだけ短くする必要があれば選択されよう。ある合計断面積の複数からなる小径ワイヤの方が、同じ断面面積を有する１つの大径ワイヤよりもより早く冷却できるであろう。

延長部３が図２に示す位置になるたびに接近センサ２０から発信される信号は、多くの異なる目的に利用可能である。例えば、アクチュエータの正しい機能を単に監視すること、またはワイヤ９、１０の加熱タイミングを制御し、これによってスライドボデー１４の動作ストロークのタイミングを制御することなどに利用可能である。当然ながら、接近センサ、あるいはディスク１の位置を感知する他のどのようなセンサであっても、目的に応じてその位置を変化させることができ、また、アクチュエータによる動作効果のより複雑なタイミング制御を得るためなどではこれらのセンサを異なる位置に複数配置してもよい。

次に、図３に示す実施の形態では、図１〜２に示す実施の形態に対し、同一の長さと断面積を有する形状記憶ワイヤ２１、２２の加熱と冷却の各サイクルに対してダブル動作効果が得られる点で相違する。ディスク１の反時計回り、時計回りの回転は、ストップピン２３、２４によってそれぞれ限界が設けられている。

動作メンバは、図６〜７に示すボデー１４と同様なスライドボデーとすることができ、ここで両アーム１５、１６が動作機能を果たしても、あるいは動作機能を例えばアーム１５による押し／引き動作にすることもできる。

代替として、ピボット２を延長したようなディスク１の平面に直交して延びる中央トーション軸をディスク１に設け、当該トーション軸が例えばレバーを前後に回転させる動作メンバとして機能することでもよい。ディスク１に取り付ける各種形式の動作メンバが当業者には知られている。

図３に示す位置において、ディスク１は、ばね６の力による反時計回りトルクの作用で反時計回りの動作回転を完了した直後にあり、ばね力による反時計回りのトルクに抗してバランス点を通過するまでディスク１が回転できるよう、いつでもワイヤ２１を加熱して時計回りの回転を始め得る状態にある。この後、時計回りの動作回転がばね力の時計回りのトルクによって実行される。さらに本実施の形態では、ばね６の動作力のモーメントアームは、いずれの方向の動作ストロークの間においても増加する。

次に図４では、図１〜３の実施の形態に示す端子１３が、ストップピン２４、２５に突き当たる係合メンバと端子との組合せ２８に置き換えられている。さらに、他の形式の付勢手段、すなわち、ピン７に回転可能に取り付けられた加圧シリンダ２４と、ピストン２６と、ピン２７によってディスク１に回転可能に取り付けられたピストンロッド２７とからなるピストン及びシリンダ機構が使用されている。

ピストン及びシリンダ機構２４〜２５は圧縮ばねと同様に機能し、実際に圧縮ばねに置き換えることができる。図４において、ディスク１は、ピン７、ピン２７、ピボット２が一直線に並んだバランス点にあり、ピストンロッド２５によりディスク１に加わる圧力は何らのトルクも生まない。図９に示す状態で、ワイヤ２２が収縮し、バランス点を越えて反時計回りにディスクを回転しつつある。バランス点を通過した直後、ピストンロッド２５によるトルクが生まれ、メンバ２８がストップピン２３に突き当たるまでディスク１を反時計回りに動かす。その後、図３に関連して説明したと同様に時計回りの回転が開始され得る。

図１〜２の引張りばね６はまた、図４と同様な構成のピストン及びシリンダ機構、または圧縮ばねによって置き換えることもできる。

次に図５〜７において、動作ボデー３０は、形状記憶合金ワイヤ３１と２本アームのレバー３２の作用で矢印Ｒ１、Ｒ２に示す方向に直線的に移動するよう配置されている。

ワイヤ３１の一端は点３３でボデー３０に取り付けられ、他端は図示しないアクチュエータのフレームの固定部３７ａに取り付けられている。ワイヤ３１は、スライド３５に回転可能に配置されたプーリ３４の周囲に延び、スライド３５は矢印Ｒ１、Ｒ２の方向に移動可能である。圧縮ばね３６がボデー３０とスライド３５の間に配置され、前記フレームの固定部３７を通る通路の間に延びている。

２本アームのレバー３２が、ピボット３８の回りに回転可能に配置され、当該レバーの１方のアーム３９はボデー３０上のピン４０に当接し、同レバーの他方のアーム４１は点４２で引張りばね４３の一端に取り付けられている。引張りばね４３の他端は、前記フレームの固定部４４に取り付けられ、ボデー３０が矢印Ｒ１の方向に移動すると、中間レバー３２の回転を介してばね４３を引張る。

つめまたはフック要素４５がピボット４６の回りに回転可能に配置され、フック要素４５のフック又は突起４７が、同一形状をしたボデー３０の凹み部４８に受け入れ可能である。形状記憶合金ワイヤ４９は、その一端がフック要素４５に取り付けられ、他端が前記フレームの固定部５０に取り付けられている。圧縮ばね５１が、固定部５０とフック要素４５との間に配置されている。

使用時、ボデー３０は矢印Ｒ１、Ｒ２の方向に往復移動し、ボデーの動作ストロークの間にプランジャ、レバー、ボタン、接点、その他同様のものをＲ１方向へ動作させる。

図５において、ワイヤ３１は、前記合金の変態温度以下に冷却されて（例えば、ＰＴＦＥでコートされた２つのアルミレール間でワイヤをサンドイッチすることにより）最大長さの状態にあり、圧縮ばね３６の付勢作用によってピンと張られた状態に維持されている。フック４７は凹み部内に受け入れられ、レバー３２によりピン４０に伝わるばね４３の付勢力に抗してボデー３０を保持している。ワイヤ４９も冷却状態にあり、最大長さにある。

動作ストロークが開始されると、ワイヤ４９が変態点まで加熱されて短縮すなわち収縮し、これによってフック要素４５をばね５１の付勢力に抗して回転させ、フック４７が凹み部４８から引き出されて図６に示すようにピストンを解除する。これでボデー３０が解除され、ばね４３によって回転するレバー３２の作用でＲ１方向に移動する。

Ｒ１方向へのボデー３０の動作ストロークの間、レバー３２の回転軸であるピボット３８に対するばね４３の付勢力のモーメントアームすなわちレバーが増加するため、ボデー３０がＲ１方向へ移動するにつれてアーム３９によりピン４０に付加される移動力が増加する。

同様にボデー３０のＲ１方向への動作ストロークの間、ピボット３８に対するアーム３９によりピン４０に付加される移動力のレバーすなわちモーメントアームが減少するため、これにより前記移動力はボデー３０が矢印Ｒ１方向に移動すると共に増加する。

スライド３５が固定フレーム部３７に突き当たると、Ｒ１方向の動作ストロークは図６に示すように停止する。稼動時においては、スライド３５が固定フレーム部３７に突き当たる前に、対象物が動作することによるボデー３０の動作ストロークへの抵抗によってこの動作ストロークが停止することが好ましい。

アクチュエータを再度引き戻すには、ワイヤ４９が冷却されてばね５１によりフック要素４５をその保持位置に向けて回転させ、その間にワイヤ３１が収縮するまで加熱され、これによってスライド３５が固定フレーム位置３７に突き当たり、プーリ３４が時計周りに回転し、ばね４３の力に抗してボデー３０がＲ２の方向へ移動し、この間レバー３２は反時計回りに回転してばね４３を伸張させる。ボデー３０が図７に示す位置に到達するとフック４７が凹み部４８内に押し込まれ、その後、ワイヤ３１が冷却されて図５に示すアクチュエータの次の新たな動作サイクルの再開準備が整う。

ばね４３が引張られている間、この引張りのために必要なワイヤ３１による力は、ボデー３０のＲ２方向への移動が開始されるときに最大となる。これは、ばね４３の力による大きなモーメントアームと、アーム３９へのピン４０による回転力の小さなモーメントアームによるものである。このワイヤ３１による力は、ボデー３０がＲ２方向へ移動するにしたがって減少する。これはアクチュエータを引き戻す間におけるワイヤ３１による力の有利な展開となるもので、以下に図１１、１２を参照してより詳細に説明する。

付勢手段により得られる力を利用して動作ストロークをさせる本発明にかかるアクチュエータを採用することにより、例えばポンププランジャを停止させるなどの動作ボデーの動作ストロークをどのように停止させることであっても、形状記憶合金ワイヤには何らの損傷も与えることなく動作ストロークを停止させることができるという更なる利点が得られる。動作ストロークが形状記憶合金の短縮による作用で実施されるならば、動作ストロークが阻止されたときに前記ワイヤは多分損傷するか折れることになるだろう。

プーリ３４によって得られるワイヤ３１の延長された長さは、アクチュエータをコンパクトな構造としながらより長い動作ストロークを与える利点を生む。

ワイヤ３１、４９の加熱は、図１〜２に示すワイヤ９、１０の加熱と同様に、ワイヤの端末と電源との図示しない導電接続により実施される。

次に図８において、歯車またはギヤ５５が、アクチュエータモータの図示しないフレームに軸支されたパワー出力軸５６に回転可能に配置されている。ギア５５の隣接する歯５９間に嵌まるエッジ部５８を有するボデー５７が、実線で示す位置と破線で示す位置との間で移動可能に前記フレームに配置されている。

形状記憶合金ワイヤ６０は、その一端がボデー５７に取り付けられ、他端が前記フレームの固定部６１に取り付けられている。アーム６３と接続されまたは一体にされたコイル状の平坦なまたはワイヤのばね６２が前記フレームに取り付けられ、アーム６３は自由端の反対側にある一端の周囲に回転可能である。アーム６３はボデー５７上のピン６４に当接している。

つめ６５がピボット６６回りに回転可能に配置され、引張りばね６７によって常時ギア５５の縁に当接するよう付勢されている。

使用時において、中間アーム６３を介してピン６４に作用するばね６２の力で図の実線位置から破線位置へと移動するボデー５７により、ギア５５が時計回りに回転する。これによってギアが一歯５９分だけ前進し、つめ６５は一対の歯５９の間でのロック係合状態から反時計方向にある次の一対の歯間でのロック位置へと移動する。

つめ６５によってギアの反時計周りの回転が規制されると、形状記憶合金ワイヤ６０が加熱により収縮し、これによってピン６４に働く中間アーム６３の力に抗してボデーが破線位置から実線位置へと移動し、このためばね６２が引き戻される。

前記中間アームによってアームの回転位置に対して時計回り方向に加わる移動力のレバーすなわちモーメントアームは、ボデーが実線位置から破線位置への動作方向に移動するにしたがって減少し、これによってピン６４に働く中間アーム６３の移動力は増加する。

次に図９では、図８に示すものと同様な形状記憶合金アクチュエータモータが示されており、ばね６２と中間アーム６３とが、ボデー５７と図示しないフレームの固定部６９とに固定された引張りばね６８に置き換えられている。

図９に示すモータの動作は図８に示すものと非常に類似しており、但し、ばね６８によるボデー５７の移動力が直接加えられ、移動の距離にほぼ比例して減少する点で相違する。

次に図１０において、図示しないフレームにラック７０がＲ４方向に移動可能に配置され、ボデー７１がＲ３、Ｒ４及びこれらの横方向に移動可能に配置されている。形状記憶合金ワイヤ７２が、ボデー７１と前記フレームの固定部７３とに取り付けられている。前記フレームに取り付けられ、そして中間アーム７５と接続されまたは一体にされたコイルばね７４は、図８のばね６２に極めて類似の状態で中間アーム７５を介してボデー７１のピン７６に移動力を及ぼしている。

ラック７０は、形状記憶合金ワイヤ７２の加熱および冷却の各サイクルごとに一歯７８分の幅だけＲ４方向に前進し、これは図８のギア５５が、図８のワイヤ６０、ばね６２、中間アーム６３、ボデー５７により回転するのと同様である。

ラック７０は、例えばシリンダの開口部を通して液体またはペーストを前記シリンダから除くよう、前端部７７で対象物を押す込むために使用可能である。

ラック７０のＲ４方向への押し付け移動を繰り返すため、ラックがＲ３方向へ移動可能となるよう、ボデー７１をラック７０の横方向へ移動させる手段を設けることができる。

次に図１３において、曲線または直線８０は、引張りばねによってボデーが付勢される間に形状記憶合金ワイヤによりボデーに反対方向に加わる力の関係を、引張りばねの収縮すなわち短縮の関数として示している。ワイヤの収縮によって引張られるときのばね力の比例的な増加のために、前記力は圧縮に比例して増大している。

直線または曲線８１は、図１〜８、９の実施の形態における圧縮と力の関係に対応した曲線に符合しており、ここではワイヤ１０、２２、２４、３１、６０、７２の夫々の力は、収縮または短縮の開始時に最大となり、またワイヤの収縮長さは、上述した動作スロークの間のモーメントアームすなわちアームの長さ変動によってはるかに長くなる。

この方法により、形状記憶合金ワイヤを加熱する一定量のエネルギに与えるためのより長い収縮距離が、動作システムにより増大されたエネルギ入力を与えるため、より高い機械効率が得られる。

実際の曲線８１は直線状とはならず、動作ストロークの間の１つまたは複数のモーメントアームの変化する変動率を反映したものとなる。

次に図１２、図５〜７において、図５〜７に示すアクチュエータが、ボデー３０を備えたプランジャを圧縮することによってピストンポンプを動作するために適用されている。

前記ポンプピストンプランジャとボデー３０は、ボデー３０の動作ストロークの間に0.2ｍｍから3.4ｍｍ移動する。プランジャを移動させるために必要な力は、約0.5Ｎから約2Ｎまでほぼ比例的に増加し、ここでプランジャが通路の末端に到達するためにこの力は急激に増加する。

ボデー３０さらにはプランジャに加わるばね４３による力は、ばね４３のてこの力に抗してボデー３０を引き戻すために必要な形状記憶合金ワイヤ３１の引張りまたは力に対応する放物線状の曲線を描く。

これらの曲線は、本発明にかかるアクチュエータが、変動量が増加するにしたがって増大した力を生み出すことを示していることが明らかであり、これは、例えばプランジャによる移動距離に応じて要求される力が増大するピストンポンプを備えたポンピングなどへの適用に非常に有利である。

本発明にかかる携帯用注入ポンプユニットの第１の実施の形態の概略図で、図１の動作ピンが最大に引き込んだ位置と、図２の動作ピンが最大に伸展した位置の２つの異なる位置を示す。 本発明にかかるアクチュエータの第２、第３の実施の形態の概略図である。 本発明にかかるアクチュエータの第４の実施の形態の３段階の動作を示す概略図である。 本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータモータの第１の実施の形態を示す概略図である。 本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータモータの第２の実施の形態を示す概略図である。 本発明にかかるラック式線状形状記憶合金アクチュエータを示す概略図である。 本発明にかかるアクチュエータの異なる付勢システムに対する形状記憶合金ワイヤの収縮と力の２つの曲線を示すグラフである。 図５〜７に示すアクチュエータによるニュートンで示す力とｍｍで示すピストンポンププランジャの移動距離の関係を示すグラフである。

符号の説明

３０．動作ボデー、 ３１．形状記憶合金ワイヤ、 ３２．２本アームレバー、 ３３．固定点、 ３４．プーリ、 ３５．スライド、 ３６．圧縮ばね、 ３７．固定部、 ３８．ピボット、 ３９．アーム、 ４０．ピン、 ４１．アーム、 ４２．固定点、 ４３．引張りばね、 ４４．固定部、 ４５．つめ（フック要素）、 ４６．ピボット、 ４７．突起、 ４８．凹み部、 ４９．形状記憶合金ワイヤ、 ５０．固定部、 ５１．圧縮ばね。

Claims (20)

1. 形状記憶合金アクチュエータであって：
   −第１と第２の位置の間で移動可能に形成されたボデーと、
   −前記ボデーを前記第１の位置に保持するよう形成された解除可能な保持手段と、
   −ニチノール（nitinol）などの形状記憶合金で作られた少なくとも１つの第１のワイヤ及び少なくとも１つの第２のワイヤであって、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーを前記第２の位置から第１の位置へ移動させる力を前記ボデーに及ぼすよう前記第１のワイヤの一端が前記ボデーに接続されたものと、
   −前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるために前記ボデーを付勢するよう形成された、引張りばね、圧縮ばね、真っ直ぐなまたは弓状のフラットばね、ピストン及びシリンダ機構などの付勢手段と、を備え、
   前記第２のワイヤが前記保持手段に接続された一端を有し、これによって前記第２のワイヤの長さが短縮することによって前記保持手段を解除して前記付勢手段が前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させることを可能にするアクチュエータ。
2. 前記第１及び／又は第２のワイヤを少なくとも形状記憶合金変態点まで加熱するための電流を前記両ワイヤへ間欠的に流す手段をさらに備えている、請求項１にかかるアクチュエータ。
3. 前記保持手段が回転可能なフックまたはつめを含み、前記つめが前記ボデーの凹み部に嵌まった保持位置と、前記つめが前記凹み部から外れた解除位置との間で回転可能に配置されている、請求項１または２にかかるアクチュエータ。
4. 前記ボデーが移動可能にフレームに取り付けられ、前記第１及び第２の各ワイヤの一端が前記フレームに取り付けられ、他端が前記ボデーと前記つめにそれぞれ接続され、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーに第１の方向へ移動させる力を及ぼし、前記第２のワイヤの長さが短縮することによって前記つめに前記保持位置から前記解除位置へ回転させる力を及ぼし、前記付勢手段が前記フレームに取り付けられて前記ボデーに前記第１の方向とは反対の第２の方向への移動力を及ぼす、請求項３にかかるアクチュエータ。
5. 前記付勢手段が、レバーやディスクなどの回転可能に配置された中間メンバを回転軸回りに第１の角度位置から第２の角度位置への第１の回転方向へ回転させるために前記中間メンバに回転力を付与するよう配置、形成され、前記中間メンバの前記第１の回転方向の回転が前記ボデーを前記第２の方向へ移動させるよう前記中間メンバが力伝達点で前記ボデーに接続されている、請求項４にかかるアクチュエータ。
6. 前記付勢手段と前記中間メンバは、前記回転軸に対する前記回転力のレバーすなわちモーメントアームが、前記中間メンバが前記第１の角度位置にあるときよりも前記中間メンバが前記第２の角度位置にある時の方がより大きく、これによって前記中間メンバが前記第１の回転方向に回転するときに前記回転力のレバーすなわちモーメントアームが増加するように配置、形成され、及び／又は、
   前記中間メンバと前記ボデーは、前記回転力が、前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるために前記伝達点に付与される移動力として前記ボデーに伝達され、前記回転軸に対する前記移動力のレバーすなわちモーメントアームが、前記中間メンバが前記第２の角度位置にあるときよりも前記中間メンバが前記第１の角度位置にある時の方がより大きく、これによって前記回転軸に対する前記移動力のレバーすなわちモーメントアームが、前記中間メンバが前記第１の回転方向へ回転するときに減少するよう配置、形成されている、請求項５にかかるアクチュエータ。
7. 前記中間メンバが、好ましくは引張りばねである第１の付勢手段とつながる１つアームと、前記ボデーにつながる他のアームとの２本アームのレバーである、請求項６にかかるアクチュエータ。
8. 前記第１のワイヤが、前記ボデーに接続された一端から少なくとも１つのプーリまたはローラを回って固定点に取り付けられた当該第１のワイヤの他端に延び、前記第１のワイヤの所定長さが制約された領域内に収納されている、請求項１から７のいずれか一にかかるアクチュエータ。
9. つめ付勢手段が、前記回転可能なつめを前記解除位置から前記保持位置へと移動させるよう配置、形成されている、請求項３から８のいずれか一にかかるアクチュエータ。
10. 形状記憶合金アクチュエータであって：
    −第１と第２の位置の間で移動可能に形成されたボデーと、
    −ニチノールなどの形状記憶合金で作られた少なくとも１つの第１のワイヤであって、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーを前記第２の位置から第１の位置へ移動させる力を前記ボデーに及ぼすよう前記第１のワイヤの一端が前記ボデーに接続されたものと、
    −引張りばね、圧縮ばね、真っ直ぐなまたは弓状のフラットばね、ピストン及びシリンダ機構などの付勢手段と、
    −前記ボデーと前記付勢手段とに接続されたレバーやディスクなどの回転式の中間メンバと、を備え、
    前記付勢手段は、前記中間メンバを回転軸回りに第１の角度位置から第２の角度位置への第１の回転方向へ回転させるために前記中間メンバに回転力を及ぼすよう形成され、前記中間メンバの前記第１の回転方向の回転が前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるよう前記中間メンバが前記ボデーに接続され、
    前記付勢手段と前記中間メンバは、前記回転軸に対する前記回転力のレバーすなわちモーメントアームが、前記中間メンバが前記第１の角度位置にあるときよりも前記中間メンバが前記第２の角度位置にある時の方がより大きくなるよう配置、形成され、これによって前記中間メンバが前記第１の回転方向に回転するときに前記回転力のレバーすなわちモーメントアームが増加するアクチュエータ。
11. 形状記憶式アクチュエータであって：
    −第１と第２の位置の間で移動可能に形成されたボデーと、
    −ニチノールなどの形状記憶合金で作られた少なくとも１つの第１のワイヤであって、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーを前記第２の位置から第１の位置へ移動させる力を前記ボデーに及ぼすよう前記第１のワイヤの一端が前記ボデーに接続されたものと、
    −引張りばね、圧縮ばね、真っ直ぐなまたは弓状のフラットばね、ピストン及びシリンダ機構などの付勢手段と、
    −前記ボデーの力伝達点で前記ボデーに接続され、前記付勢手段と接合または一体にされたレバーまたはアームなどの回転可能に配置された中間メンバと、を含み、
    前記付勢手段は、前記中間メンバを回転軸回りに第１の角度位置から第２の角度位置への第１の回転方向へ回転させるために前記中間メンバに回転力を付与するよう形成され、前記中間メンバの前記第１の回転方向の回転が前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるよう前記中間メンバが前記ボデーに接続され、
    前記中間メンバと前記ボデーは、前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるために前記力伝達点に前記回転力が移動力として伝達され、さらに前記回転軸に対する前記移動力のレバーすなわちモーメントアームは、前記中間メンバが前記第２の角度位置にあるときよりも前記中間メンバが前記第１の角度位置にある時の方が大きくなるよう配置、形成され、これによって前記中間メンバが前記第１の回転方向に回転するときに前記回転軸に対する前記移動力のレバーすなわちモーメントアームが減少するアクチュエータ。
12. 前記ボデーを前記第１の位置に保持するよう形成された解除可能な保持手段と、
    ニチノールなどの形状記憶合金で作られ、前記保持手段に接続された一端を有する少なくとも１つの第２のワイヤであって、当該第２のワイヤの長さが短縮することによって前記保持手段を解除し、前記付勢手段が前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動可能にするものとをさらに備えている、請求項１０または１１にかかるアクチュエータ。
13. 前記保持手段が回転可能なフックまたはつめから構成され、前記つめが前記ボデーの凹み部に嵌まった保持位置と、前記つめが前記凹み部から外れた解除位置との間で回転可能に配置されている、請求項１２にかかるアクチュエータ。
14. 前記ボデーがフレームに移動可能に取り付けられ、前記第１及び第２の各ワイヤの一端が前記フレームに取り付けられ、他端が前記ボデーと前記つめにそれぞれ接続され、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーに第１の方向へ移動させる力を及ぼし、前記第２のワイヤの長さが短縮することによって前記つめに前記保持位置から前記解除位置へ回転させる力を及ぼし、前記付勢手段が前記フレームに取り付けられ、前記ボデーに前記第１の方向とは反対の第２の方向への移動力を及ぼす、請求項１３にかかるアクチュエータ。
15. ニチノールなどの形状記憶合金で作られ、前記ボデーに接続された一端を有する少なくとも１つの第２のワイヤであって、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーに一方の回転方向への回転力を及ぼし、前記第２のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーに反対の回転方向の回転力を及ぼし、前記付勢手段が前記ボデーに前記回転方向のいずれか一方向の回転力を及ぼすよう前記ボデーに取りつけられている、請求項１０または１１にかかるアクチュエータ。
16. 前記付勢手段が、前記ボデーに前記両回転方向への回転力を及ぼし、前記第１と第２の位置の間のバランス点では前記付勢手段は前記ボデーに回転力を及ぼさない、請求項１５にかかるアクチュエータ。
17. 前記電力供給ユニットが、前記第１及び／又は第２のワイヤを少なくとも形状記憶合金変態点まで加熱するための電流を前記第１及び／又は第２のワイヤを通して間欠的に流すよう形成されている、請求項１０から１６のいずれか一にかかるアクチュエータ。
18. 形状記憶合金モータであって：
    −好ましくは請求項１から１７のいずれか一にかかる形状記憶合金アクチュエータと、
    −第１の位置と第２の位置との間で移動可能に配置されたボデーと、
    −ニチノールなどの形状記憶合金で作られた少なくとも１つの第１のワイヤであって、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーを前記第２の位置から第１の位置へ移動させる第１の移動力を前記ボデーに及ぼすよう前記第１のワイヤの一端が前記ボデーに接続されたものと、
    −引張りばね、圧縮ばね、真っ直ぐなまたは弓状のフラットばね、ピストン及びシリンダ機構などの付勢手段であって、前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるための第２の移動力を前記ボデーに及ぼすよう配置、形成されたものと、
    −第１及び第２の回転方向を有するギアと、を備え、
    前記ボデーは前記ギアの隣接する２つの歯の間に係合するよう形成された部分を有し、前記ボデーと前記ギアは、前記第１の位置において前記部分が前記ギアの一対の歯の間に位置し、前記第２の位置において前記ギアの第２の回転方向にある前記ギアの隣接する一対の歯の間に前記部分が位置するよう配置、形成され、これによって前記第２の移動力が前記ボデーをして前記ギアを前記第１の方向へ回転せしめるモータ。
19. 前記ギアの前記第２の方向への回転を阻止する前記ギアの一対の歯の間のロック位置と、解除位置との間に移動可能に配置されたつめメンバをさらに備えている、請求項１８にかかるモータ。
20. 形状記憶合金モータであって：
    −好ましくは請求項１から１７のいずれか一にかかる形状記憶合金アクチュエータと、
    −第１の位置と第２の位置との間で移動可能に配置されたボデーと、
    −ニチノールなどの形状記憶合金で作られた少なくとも１つの第１のワイヤであって、前記第１のワイヤの長さが短縮することによって前記ボデーを前記第２の位置から第１の位置へ移動させる第１の移動力を前記ボデーに及ぼすよう前記第１のワイヤの一端が前記ボデーに結合されたものと、
    −引張りばね、圧縮ばね、真っ直ぐなまたは弓状のフラットばね、ピストン及びシリンダ機構などの付勢手段であって、前記ボデーを前記第１の位置から第２の位置へ移動させるための第２の移動力を前記ボデーに及ぼすよう配置、形成されたものと、
    −第１及び第２の移動方向を有するラックと、を備え、
    前記ボデーは前記ラックの隣接する２つの歯の間に係合するよう形成された部分を有し、前記ボデーと前記ラックは、前記第１の位置において前記部分が前記ラックの一対の歯の間に位置し、前記第２の位置において前記部分が前記ラックの第２の移動方向にある前記ギアの隣接する一対の歯の間に位置するよう配置、形成され、これによって前記第２の移動力が前記ボデーをして前記ラックを前記第１の方向へ移動せしめるモータ。
    
    

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