JP2009222040A - 形状記憶合金アクチュエータ - Google Patents

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

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。

特開昭６１−１９９８０号公報

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。

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。

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。

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。

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。

第１の実施例の斜視図である。 第１の実施例の構成と動作を説明する図である。 第１の実施例の構成と動作を説明する他の図である。 第１の実施例の構成と動作を説明するさらに他の図である。 移動体に働く力と位置との関係を説明する図である。 第２の実施例の構成と動作を説明する図である。 第２の実施例の構成と動作を説明する他の図である。 第２の実施例の構成と動作を説明するさらに他の図である。 第３の実施例の構成を説明する図である。 第３の実施例の吸引力発生手段を説明する図である。 第３の実施例の吸引力発生手段の斜視図である。

符号の説明

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

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。

Images