JP2009222040A - 形状記憶合金アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【課題】形状記憶合金の線材の収縮力とバイアスばねの応力とによって移動体を駆動するアクチュエータにおいて、形状記憶合金が延伸する方向に対して移動体にさらなる吸引力が働く構成にすることにより、形状記憶合金が延伸する際の移動体駆動の速度低下を防止すること。
【解決手段】一端が固定された形状記憶合金の線材6と、線材6の他端に機械的に連結された移動体2と、移動体2に対して、形状記憶合金の線材6が冷却し延伸する方向に外力を付加する付勢部材5とを備え、線材6に通電し、形状記憶合金の線材6の温度を変化させることにより、線材6の長さを変えて移動体2の位置を変化させる形状記憶合金アクチュエータであって、移動体2を介して付勢部材5に対向する位置に配置され、移動体2に対し、付勢部材5により付加された外力と同じ方向に作用する吸引力を発生する吸引力発生手段51を備える。
【選択図】図1
【解決手段】一端が固定された形状記憶合金の線材6と、線材6の他端に機械的に連結された移動体2と、移動体2に対して、形状記憶合金の線材6が冷却し延伸する方向に外力を付加する付勢部材5とを備え、線材6に通電し、形状記憶合金の線材6の温度を変化させることにより、線材6の長さを変えて移動体2の位置を変化させる形状記憶合金アクチュエータであって、移動体2を介して付勢部材5に対向する位置に配置され、移動体2に対し、付勢部材5により付加された外力と同じ方向に作用する吸引力を発生する吸引力発生手段51を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、形状記憶合金の線材の収縮力とバイアスばねの応力とによって移動体を駆動する形状記憶合金アクチュエータに関するものである。
形状記憶合金は温度の変化により相転移し形状変化する。この形状記憶合金の形状変化を利用したアクチュエータは、アクチュエータの小型化、軽量性などにおいて優れた特性を持っている。
例えば、特開昭61−19980号公報では、形状記憶合金の線材の一端を固定端とし、もう一端を可動端とする構成が示されている。この発明では、形状記憶合金の線材の両端に繋がれた導線からの通電加熱によって形状記憶合金の線材の長さを変化させたときに発生する収縮力とバイアスばねによる応力とによって、可動端が駆動する技術が開示されている。
例えば、特開昭61−19980号公報では、形状記憶合金の線材の一端を固定端とし、もう一端を可動端とする構成が示されている。この発明では、形状記憶合金の線材の両端に繋がれた導線からの通電加熱によって形状記憶合金の線材の長さを変化させたときに発生する収縮力とバイアスばねによる応力とによって、可動端が駆動する技術が開示されている。
上記先行技術では、バイアスばねの応力と線状の形状記憶合金の収縮力とで移動体を駆動する。この場合、形状記憶合金の線材が収縮して移動体を駆動するときには、形状記憶合金を加熱収縮させている。したがって、通電加熱の通電量を上げることで、速い応答が可能となる。また、形状記憶合金が延伸して移動体を駆動するときは、通電を停止し、バイアスばねの元に戻ろうとする応力によって移動体が移動する構成となっている。
上記先行技術の構成では、形状記憶合金の線材が伸びるに従いバイアスばねの付勢力が低下する。このため、バイアスばねの付勢力の低下に伴い、形状記憶合金が延伸する速度が低下するという問題が生じる。また、小型化のために冷却を自然放熱にしている場合は、形状記憶合金が延伸する速度の低下がさらに顕著になっている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、形状記憶合金の線材の収縮力とバイアスばねの応力とによって移動体を駆動する形状記憶合金アクチュエータにおいて、形状記憶合金が延伸する方向に対して移動体にさらなる吸引力が働く構成にすることにより、形状記憶合金が延伸する際の移動体駆動の速度低下を防止することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、一端が固定された形状記憶合金の線材と、形状記憶合金の線材の他端に機械的に連結された移動体と、移動体に対して、形状記憶合金の線材が冷却し延伸する方向に外力を付加する付勢部材とを備え、形状記憶合金の線材に通電し、形状記憶合金の線材の温度を変化させることにより、形状記憶合金の線材の長さを変えて移動体の位置を変化させる形状記憶合金アクチュエータであって、移動体を介して付勢部材に対向する位置に配置され、移動体に対し、付勢部材により付加された外力と同じ方向に作用する吸引力を発生する吸引力発生手段を備えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、吸引力発生手段が発生する吸引力は、吸引力発生手段と移動体との間の距離の増加に伴い、その強度が減衰することが望ましい。
本発明の好ましい態様によれば、移動体と吸引力発生手段との間の距離が所定の距離以上になるように、移動体の位置変化を規制する移動体規制部材を備えることが望ましい。
本発明の好ましい態様によれば、移動体が移動可能な範囲において、付勢部材により付加された外力と吸引力発生手段の吸引力との和が略一定であることが望ましい。
本発明の好ましい態様によれば、吸引力発生手段の吸引力が、磁力であることが望ましい。
本発明の好ましい態様によれば、吸引力発生手段の吸引力が、静電気力であることが望ましい。
本発明の好ましい態様によれば、移動体が磁性体を有し、吸引力発生手段が永久磁石で構成されていることが望ましい。
本発明の好ましい態様によれば、移動体が永久磁石を有し、吸引力発生手段が磁性体で構成されていることが望ましい。
本発明の好ましい態様によれば、吸引力発生手段が永久磁石を有し、永久磁石が、磁性体に覆われていることが望ましい。
本発明の好ましい態様によれば、磁性体が筒形状であることが望ましい。
本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータは、形状記憶合金が延伸する方向に対して移動体にさらなる吸引力が働く構成にすることにより、形状記憶合金が延伸する際の移動体駆動の速度低下を防止するという効果を奏する。
以下に、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
図1は、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータの第1の実施例の斜視図である。
(第1実施形態)
図1において、筒1は溝4を備えている。溝4を介してアクチュエータの駆動部となる移動体2が筒1の外部に出ている。溝4の両端には、移動体2の駆動粋を規制する第1のストッパー41と第2のストッパー42を設置している。移動体2を外部の可動部に接続することにより、所定の可動部を駆動させることも可能である。
図1において、筒1は溝4を備えている。溝4を介してアクチュエータの駆動部となる移動体2が筒1の外部に出ている。溝4の両端には、移動体2の駆動粋を規制する第1のストッパー41と第2のストッパー42を設置している。移動体2を外部の可動部に接続することにより、所定の可動部を駆動させることも可能である。
図2、3、4は、図1に示す構成のA−A断面図を示し、形状記憶ワイヤ6の状態による位置変化を示した図である。また、図5は、移動体2の位置変化と、移動体2に形状記憶ワイヤ6以外から働く応力の概略を示したグラフである。
上述の溝4の両端に設けられている第1のストッパー41、第2のストッパー42は移動体2の駆動に関して位置制止をする役割を果たす。移動体2は溝4より筒1の外部に露出している。また、移動体2には形状記憶ワイヤ6を接続している。形状記憶ワイヤ6をバイアスばね5の内部に通し、筒1の端部にあるワイヤ固定部材11に固定している。移動体2はバイアスばね5により紙面の左方向に応力が加わっている状態である。
筒1のワイヤ固定部材11に対向する側には、第1のストッパー41から所定の距離の所に吸引力発生手段51が設けられている。移動体2は吸引力発生手段51により紙面左方向に吸引力も働いている状態である。本実施例では、例えば、吸引力発生手段51を電磁コイルとし、移動体2を磁性体とした。
図2は、バイアスばね5の応力と吸引力発生手段51の吸引力とにより、移動体2がストッパー41の位置で制止している状態を示している。この状態のとき、形状記憶ワイヤ6は、図では省略した通電装置による通電は行われておらず緩んだ状態である。移動体2はバイアスばね5により紙面の左方向に応力が加わり、ストッパー41で制止している状態である。ストッパー41に移動体2が制止している位置を説明のため位置Aとする。
図3は、図では省略した通電装置により形状記憶ワイヤ6を通電加熱し、移動体2が位置変化した状態を示している。通電に応じて、形状記憶ワイヤ6が相転移により収縮する。形状記憶ワイヤ6の収縮力は、バイアスばね5の応力と吸引力発生手段51との吸引力よりも大きいため、形状記憶ワイヤ6の収縮方向に移動体2が位置変化する。
図4は、図3よりもさらに通電の電力を大きくし、加熱を増加させてストッパー42に移動体2が制止する場合を示す。加熱の増加により、形状記憶ワイヤ6の収縮量が大きくなり、移動体2は形状記憶ワイヤ6の収縮方向に移動し、ストッパー42の位置まで変化し、制止する。ストッパー42に移動体2が制止している位置を説明のため位置Bとする。
このように、形状記憶ワイヤ6を加熱収縮させると、図2→図3→図4の順で移動体2が移動する。反対に、形状記憶ワイヤ6を冷却延伸させる場合は、図4→図3→図2の順で移動体2が移動することとなる。
尚、バイアスばね5により紙面方向左側に働く応力と、吸引力発生手段51により紙面方向左側に働く吸引力とは、形状記憶ワイヤ6を加熱収縮させているときも、冷却延伸させているときも、常に働いている。移動体2の位置が同じであれば、加熱収縮時と冷却延伸時のどちらの動作時であっても同等の力が移動体2に働くこととなる。また、摩擦等の抵抗力を無視した場合、バイアスばね5および吸引力発生手段51から移動体2に働く外力は、形状記憶ワイヤ6に働く力とみなして考えても良い。
尚、バイアスばね5により紙面方向左側に働く応力と、吸引力発生手段51により紙面方向左側に働く吸引力とは、形状記憶ワイヤ6を加熱収縮させているときも、冷却延伸させているときも、常に働いている。移動体2の位置が同じであれば、加熱収縮時と冷却延伸時のどちらの動作時であっても同等の力が移動体2に働くこととなる。また、摩擦等の抵抗力を無視した場合、バイアスばね5および吸引力発生手段51から移動体2に働く外力は、形状記憶ワイヤ6に働く力とみなして考えても良い。
図5は、移動体2の位置と、移動体2に働くバイアスばね5の応力、吸引力発生手段51からの吸引力、そしてバイアスばね5の応力と吸引力発生手段51からの吸引力との合力を示したグラフである。図5において、実線はバイアスばね5の応力と吸引力発生手段51からの吸引力との合力、点線は吸引力発生手段51からの吸引力、1点破線はバイアスばね5の応力をそれぞれ示す。図5内にて矢印で示したA、Bは、それぞれ、図2、4で示した移動体2の位置A、Bを示している。本実施例では、移動体2の駆動を規制する第1のストッパー41と第2のストッパー42とを設置しているため、移動体2は図5において、AとBとの間が駆動可能領域となる。
図5にて1点破線で示す移動体2に働くバイアスばね5の応力は、移動体2の位置がBの位置からAの位置の紙面左方向に変化するのに伴って、小さくなっていく。図2、3、4で示したとおり、Bの位置からAの位置へ変化する方向は、形状記憶ワイヤ6が冷却延伸するときの移動方向である。
次に、点線で示す吸引力発生手段51の吸引力は、移動体2の位置がBの位置からAの位置の紙面左方向に変化するのに伴って、大きくなっている。吸引力発生手段51の吸引力と位置との関係と、バイアスばね5の応力と位置との関係とは、逆の関係になっている。
次に、点線で示す吸引力発生手段51の吸引力は、移動体2の位置がBの位置からAの位置の紙面左方向に変化するのに伴って、大きくなっている。吸引力発生手段51の吸引力と位置との関係と、バイアスばね5の応力と位置との関係とは、逆の関係になっている。
従来の形状記憶ワイヤ6の冷却延伸時の駆動においては、移動体2には、バイアスばね5の応力のみが働き、移動に伴って、移動体2に作用する応力が徐々に小さくなり応答速度が小さくなっている。
バイアスばね5の応力と吸引力発生手段51の吸引力とは、共に同じ方向に働き、その合力は、図5に実線で示すように、Bの位置からAの位置に移動体2が変化しても、ほぼ一定を保っている。バイアスばね5の応力の低下を吸引力発生手段51の吸引力で補うことができる。したがって、形状記憶ワイヤ6の冷却延伸時の駆動において、移動体2がBからAの位置に変化しても、移動体2を位置変化させる力の低下を防ぎ、一定の力を作用させることができるので、応答速度が確保され、安定な応答が可能となる。
バイアスばね5の応力と吸引力発生手段51の吸引力とは、共に同じ方向に働き、その合力は、図5に実線で示すように、Bの位置からAの位置に移動体2が変化しても、ほぼ一定を保っている。バイアスばね5の応力の低下を吸引力発生手段51の吸引力で補うことができる。したがって、形状記憶ワイヤ6の冷却延伸時の駆動において、移動体2がBからAの位置に変化しても、移動体2を位置変化させる力の低下を防ぎ、一定の力を作用させることができるので、応答速度が確保され、安定な応答が可能となる。
本実施例では、吸引力発生手段51を電磁コイルとしたが、吸引力発生手段51と移動体2を電気的に繋げ、静電吸引力を用いても、同等の効果を得ることが出来る。
吸引力発生手段51が磁力、静電引力、どちらを用いたとしても、移動体2と吸引力発生手段51との距離が大きくなるのに伴い、移動体2に加わる図2における紙面左方向の吸引力が小さくなる。移動体2と吸引力発生手段51との距離が大きくなるに伴い、移動体2に加わるバイアスばね5の応力が大きくなる。磁力、静電引力、どちらを用いたとしても、バイアスばね5および吸引力発生手段51から移動体2が受ける合力は、ほぼ一定となりうることが可能となる。
吸引力発生手段51が磁力、静電引力、どちらを用いたとしても、移動体2と吸引力発生手段51との距離が大きくなるのに伴い、移動体2に加わる図2における紙面左方向の吸引力が小さくなる。移動体2と吸引力発生手段51との距離が大きくなるに伴い、移動体2に加わるバイアスばね5の応力が大きくなる。磁力、静電引力、どちらを用いたとしても、バイアスばね5および吸引力発生手段51から移動体2が受ける合力は、ほぼ一定となりうることが可能となる。
例えば図5に示すよう、本実施例においては、Aの位置での吸引力発生手段51からの吸引力を、Bの位置でのバイアスばね5の応力よりも小さく設定しているが、これに限定されるものではなく、実線で示したバイアスばね5の応力と吸引力発生手段51の吸引力との合力が、位置Aと位置Bとの間でほぼ一定になるようにバイアスばねと吸引力発生手段51からの吸引力を設定すればよい。
また、バイアスばね5の応力と吸引力発生手段による吸引力との合力が略一定となる範囲で、移動体が可動するよう第1のストッパー41と第2のストッパー42とを設置するように設定してもよい。
なお、移動体規制部材は、第1のストッパー41に相当する。図5に示されるように、吸引力は吸引力発生手段51に近くなるほど急激に大きくなる。ストッパー41により吸引力発生手段51と移動体2との距離を確保し、吸引力の最大値を制御することで、移動領域内で安定した力が確保される。
図6、7、8は、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータの第2の実施例の構成と動作を示す図である。
図6、7、8は、第2の実施形態の図1のA−A断面図に相当する図であり、形状記憶ワイヤ6の状態による移動体2の位置変化を示した図である。図6、7、8は、形状記憶ワイヤ6の状態における移動体2の位置変化についてそれぞれ図2、3、4と同様である。したがって、同様な構成についての説明は省く。
図6、7、8は、移動体2の内部に磁性体21を有している。吸引力発生手段として、永久磁石52を設置し、移動体2と永久磁石52とに働く吸引力を利用する。図5で示したとおり、バイアスばね5の応力と永久磁石52からの吸引力との合力が移動体2の移動領域において、どの位置でもほぼ一定の力を得る。したがって、形状記憶ワイヤ6が冷却延伸して移動体2が駆動する際も、安定した応答速度の効果を得ることが出来る。
図6、7、8では、移動体2の一部が磁性体21により磁性を持つ構成としているが、もちろん、移動体2全体が磁性体であっても良い。また、磁性体21が永久磁石であり、永久磁石52が磁性体であっても同等の効果を得ることが出来る。なお、磁性体21と永久磁石52とをどちらも永久磁石にし、お互いに吸引力が働くように配置することにより同様の効果を得ることも出来る。
図9は、第3の実施形態の図1のA−A断面図に相当する図である。形状記憶ワイヤ6の状態における移動体2の位置変化については、第1、第2の実施例と同様のため、説明は省略する。また、第1、第2の実施例と同様の構成の部分についても説明は省略する。
図9は、吸引力発生手段が永久磁石53と磁性体54とにより構成されていることを示す。図10は、本実施例の吸引力発生手段の永久磁石53と磁性体54のみを示し、図11は図10の斜視図を示す。
図9は、吸引力発生手段が永久磁石53と磁性体54とにより構成されていることを示す。図10は、本実施例の吸引力発生手段の永久磁石53と磁性体54のみを示し、図11は図10の斜視図を示す。
図10に示すとおり、永久磁石53は紙面右側がN極、紙面左側がS極の磁性をもち、永久磁石53を覆っている磁性体54は永久磁石53の影響で分極され、紙面左側がN極、紙面右側がS極となる。図10に示す構成により、吸引力発生手段である永久磁石53と磁性体54とは、N極とS極が近くにあり、移動体2の側で磁束密度が高くなる構成である。すなわち、吸引力発生手段が同じ大きさであれば、第2の実施例より大きな磁力を作り出す、高効率で紙面右方向に磁界が発生する構成となる。このように、高効率で磁界を移動体2に向けて発生させることにより、吸引力発生手段の小型化が可能となる。
また、図11に示すように、磁性体54を円筒状にすることにより、円筒内に挿入して配置することが可能となる。バイアスばね5がコイル形状であることから、アクチュエータ全体を円筒内に収めることがサイズの小型化に有利である。磁性体54を円筒状にすることにより、アクチュエータ全体を小型化することが可能となる。
以上のように、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータは、形状記憶合金の線材の収縮力とバイアスばねの応力とによって移動体を駆動する形状記憶合金アクチュエータに有用であり、特に、冷却延伸時に安定した駆動が必要なものに適している。
1 筒
2 移動体
4 溝
5 バイアスばね
6 形状記憶ワイヤ
11 ワイヤ固定部材
21、54 磁性体
41、42 ストッパー
51 吸引力発生手段
52、53 永久磁石
2 移動体
4 溝
5 バイアスばね
6 形状記憶ワイヤ
11 ワイヤ固定部材
21、54 磁性体
41、42 ストッパー
51 吸引力発生手段
52、53 永久磁石
Claims (10)
- 一端が固定された形状記憶合金の線材と、
前記形状記憶合金の線材の他端に機械的に連結された移動体と、
前記移動体に対して、前記形状記憶合金の線材が冷却し延伸する方向に外力を付加する付勢部材とを備え、
前記形状記憶合金の線材に通電し、前記形状記憶合金の線材の温度を変化させることにより、前記形状記憶合金の線材の長さを変えて移動体の位置を変化させる形状記憶合金アクチュエータであって、
前記移動体を介して前記付勢部材に対向する位置に配置され、前記移動体に対し、前記付勢部材により付加された外力と同じ方向に作用する吸引力を発生する吸引力発生手段を備えることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。 - 前記吸引力発生手段が発生する前記吸引力は、前記吸引力発生手段と前記移動体との間の距離の増加に伴い、その強度が減衰することを特徴とする請求項1に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
- 前記移動体と前記吸引力発生手段との間の距離が所定の距離以上になるように、前記移動体の位置変化を規制する移動体規制部材を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
- 前記移動体が移動可能な範囲において、前記付勢部材により付加された前記外力と前記吸引力発生手段の前記吸引力との和が略一定であることを特徴とする請求項3に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
- 前記吸引力発生手段の前記吸引力が、磁力であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
- 前記吸引力発生手段の前記吸引力が、静電気力であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
- 前記移動体が磁性体を有し、前記吸引力発生手段が永久磁石で構成されていることを特徴とする請求項5に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
- 前記移動体が永久磁石を有し、前記吸引力発生手段が磁性体で構成されていることを特徴とする請求項5に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
- 前記吸引力発生手段が永久磁石を有し、前記永久磁石が、磁性体に覆われていることを特徴とする請求項7に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
- 前記磁性体が筒形状であることを特徴とする請求項9に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
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