JP3988336B2

JP3988336B2 - Actuator

Info

Publication number: JP3988336B2
Application number: JP27234499A
Authority: JP
Inventors: 茂堂埜; 一志畠; 幸彦北野
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2019-09-27
Also published as: JP2001099206A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は伸縮型のアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アクチュエータとして、特公昭６３−２８７５３号公報には、片持ち支持された形状記憶合金素子と、該形状記憶合金素子に一面を接触させた熱電素子とからなるものが示されている。熱電素子による形状記憶合金素子の加熱または冷却で形状記憶合金の形状を変化させるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のものでは形状記憶合金の形状変化が湾曲として生じるものであり、出力として伸縮するものを得ることができない。
【０００４】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは伸縮出力を得ることができる上に高出力を得ることができるアクチュエータを提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、形状記憶合金からなるとともに端部が出力部となっているコイルと、該コイルに軸方向のバイアス力を加えるバイアス部材と、コイルに絶縁材を介して接触する熱電素子とからなり、熱電素子によるコイルの加熱・冷却でコイルに伸縮動作を行わせるものであって、絶縁材はその外面または内面の一方の断面形状が多角形、他方の断面形状が円形となっている筒形であり、多角形断面となっている面に上記熱電素子が接しており、円形断面となっている面に上記コイルが接触していることに主たる特徴を有している。形状記憶合金をコイルとすることによって伸縮出力を得られるようにしたものであるとともに高出力を得られるようにしたものである。
【０００６】
この時、絶縁材の円形断面となっている内面の内周もしくは外面の外周に潤滑媒体を介してコイルを配置しているものを好適に用いることができる。
【００１１】
熱電素子及び熱電素子が接合された絶縁材を柔軟材料で形成して伸縮自在としてもよい。
【００１２】
熱電素子のコイルと反対側の熱交換面にヒートパイプを接続することも好ましい。
【００１３】
絶縁材をコイルの周方向に分割してコイルの径方向にバイアス力を作用させるバイアス部材で結合したり、さらに絶縁材をコイルの径方向に伸縮自在な弾性体で形成しておいてもよい。
【００１４】
形状記憶合金からなるコイルを複数並列に配設して各コイルの端部を同一出力部に連結したものであってもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１において、形状記憶合金からなるコイル１の一端には出力軸２が連結されており、コイル１の外周には筒状の絶縁材３を介して熱電素子４が配設されている。ここにおける熱電素子４は、ｐ型素子とｎ型素子とを電極板で順次直列に接続したπ型構造のもので、片側の熱交換面を上記絶縁材３の外面に接触させており、他方の熱交換面にヒートシンク５を接触させている。また、絶縁材３にはコイルばねからなるバイアス部材６の一端を固定して、該バイアス部材６の他端をコイル１における出力軸２側の一端に当接させている。図中７はコイル１と絶縁材３との接触部に配した熱伝導グリスからなる潤滑媒体である。
【００２４】
このアクチュエータにおいては、図２に示すコイル１が収縮している状態において、熱電素子４へ供給している電源の極性切り換えで熱電素子１の絶縁材３側の熱交換面を放熱面、ヒートシンク５側の熱交換面を吸熱面とすれば、形状記憶合金からなるコイル１は形状回復動作によって伸張して、バイアス部材６を圧縮しつつ出力軸２をその軸方向に押す。
【００２５】
逆にコイル１を冷却すれば、コイル１は剛性が低下してバイアス部材３の弾性力によって元の状態に戻される。
【００２６】
コイル１である形状記憶合金としては、ニッケルとチタンの配合比が５０：５０前後であって、高温時にオーステナイト相、低温時にマルテンサイト相を有する合金（ニチノール）を好適に用いることができるが、熱処理によって高温・低温の中間相も備えていたり、銅やアルミニウムが若干配合されていてもよく、上記のものに限定されるものではない。
【００２７】
絶縁材３としては、シリコン、ゴム、ポリイミド等の柔軟な部材や、アルマイト、セラミックのような剛体も用いることができるが、図３に示すように、円筒形であって内周面にコイル１が接するものを好適に用いることができる。なお、絶縁材３に対するコイル１と熱電素子４の位置関係を逆にして、図４に示すように、絶縁材３の外周にコイル１、内周に熱電素子４を配置してもよい。いずれにしても、絶縁材３を円筒形とすることによって、コイル１に添った熱伝導が可能で熱応答の早いものを得ることができる。
【００２８】
絶縁材３は図５または図６に示すように、断面多角形の角筒形のものであってもよい。絶縁材３の内周または外周への熱電素子４の接合が容易となる。
【００２９】
もちろん、図７に示すように、外面または内面の一方の断面形状が多角形、他方の断面形状が円形となっている絶縁材３を用いて、多角形側の面に熱電素子４を接合し、円形の面にコイル１を接触させることにより、絶縁材３とコイル１との間の熱伝導特性を良好に保ちつつ、熱電素子４の接合を容易とすることができる。
【００３０】
熱電素子４は図８に示すように、形状記憶合金からなるコイル１の素線に沿って配設するようにしてもよい。コイル１の形状変化によるところのコイル１と熱電素子４との間の滑り（位置変化）がないために、潤滑媒体７が不要となって熱抵抗を下げることができる。この場合、絶縁材３はコイル１の素線を覆う断面形状として、該絶縁材３の外面に熱電素子４を配設するのが好ましい。熱電素子４の剥離を防ぐことができる。
【００３１】
絶縁材３をコイル１の素線に沿って摺動自在としてもよい。図１０はこの場合の例を示しており、絶縁材３の内周面とコイル１の素線との間に潤滑媒体７を介在させている。形状記憶合金からなるコイル１の収縮時のストレスを緩和することができる。
【００３２】
形状記憶合金からなるコイル１は、その素線表面に図１１に示すように凹凸（荒研磨による凹凸を含む）１１を設けておくと、該凹凸１１は放熱フィンの働きをすることになり、熱伝達効率が向上する。図１２に示すように、コイル１の素線表面に形状記憶合金よりも熱伝導率が高い放熱部材１２を取り付けてもよいのはもちろんである。
【００３３】
図１３に示すように、絶縁材３の内周にコイル１を配したものではコイル１のさらに内周側に断熱材１３を配設すると、熱流出を防ぐことができる。
【００３４】
図１４に示すように、コイル１の軸方向端部にも熱電素子４’を配設すれば、コイル１への熱伝導効果が向上する。
【００３５】
図１５は絶縁材３をコイル１に添った螺旋状に形成したものを示している。コイル１の伸縮に絶縁材３外面の熱電素子４も追随するために、熱電素子４からコイル１に至る熱伝導率を常時高く保つことができる。また、螺旋状絶縁材３をばね部材で形成すれば、絶縁材３をバイアス部材として利用することができるために、別途バイアス部材６を設けなくてもすむために部品数を削減することができる。
【００３６】
図１６は絶縁材３として、コイル１の軸方向に間隔をおいて配設された複数のリング状のものを用いるとともに、隣接する絶縁材３間を弾性材３０で連結したものを示している。この場合もコイル１の伸縮に熱電素子４が追随するものとなり、また弾性材３０がバイアス部材を兼ねるようにすることで部品数を削減することができる。
【００３７】
熱電素子４及び熱電素子４が接合された絶縁材３を柔軟材料で形成することでコイル１の軸方向に伸縮自在としても、図１７に示すように、コイル１の伸張時に熱電素子４が追随するものを得ることができる。
【００３８】
図１８は熱電素子４のコイル１と反対側の熱交換面にヒートパイプ５０を接続したものを示している。熱電素子４の熱伝導効率を促進させることができる。
【００３９】
図１９に絶縁材３のさらに他例を示す。ここでは絶縁材３をコイル１の周方向に分割して複数の絶縁材３でコイル１を取り巻くとともに、コイル１の径方向にバイアス力を作用させるバイアス部材３５で絶縁材３間を結合している。形状記憶合金であるコイル１の伸縮時に伴う径変化に絶縁材３が追随するために、コイル１の径が小さくなっても熱電素子４からコイル１への熱伝導特性を高く保つことができる。
【００４０】
図２０に示すように、絶縁材３をコイル１の径方向に伸縮自在な弾性体で形成してもよい。
【００４１】
図２１は形状記憶合金からなるコイル１と絶縁材３と熱電素子４とからなるブロックを複数並列に配設して各コイル１，１の端部を同一の出力軸２に連結したものを示している。出力としてさらに高いものを得ることができ、また出力が同じでよければ、２つのブロックを用いることで形状記憶合金（コイル１）の表面積を増大させることができるために、伝熱特性が向上する。
【００４２】
内周側が絶縁材３を介してコイル１に接している熱電素子４の外周側に、図２２に示すように、形状記憶合金からなる第２のコイル１２を配設して、この第２のコイル１２をバイアス部材として用いるようにしてもよい。加熱時に伸びるように形状記憶させたコイル１に対して、第２のコイル１２を加熱時に縮むように形状記憶させておくのである。熱電素子４の加熱面と冷却面を同時に有効利用することができる。
【００４３】
図２３に示すように、熱電素子４の他方側の熱交換面に湾曲形状の形状記憶合金板１３を熱的に接続して配設して、熱電素子４への通電極性をコイル１の収縮・伸張時において逆転させても、やはり熱電素子４の加熱面と冷却面を同時に有効利用することができるとともに、伸縮だけでなく湾曲動作も加わるものを得ることができる。
【００４４】
さらには、図２４に示すように、コイル１と絶縁材３と熱電素子５とからなるブロックを径方向において多重で配設するとともに、各コイル１にその特性が加熱時に縮むものと伸びるものとを径方向において交互に用いるならば、熱電素子４の加熱面と冷却面の同時有効利用に加えて、発生力を拡大させることができる。
【００４５】
図２５に他の実施例を示す。これは熱電素子４として、ｐ型素子とｎ型素子とを接続する電極板が形状記憶合金で形成されたものを用いるとともに、コイル１に添う螺旋状としたものとを示している。コイル１の伸縮に伴って、螺旋状の熱電素子４も伸縮するために、高い伝熱効率を得ることができる。なお、図では示していないが、このものにおいても、絶縁材３が熱電素子４とコイル１との間に介在している。
【００４６】
図２６は２つのアクチュエータを直列に接続したものを示している。出力軸２の変位量を大きくとることができる。また、各アクチュエータの熱電素子４への通電を個別に制御することで、多段階的伸縮量変化を得ることができる。
【００４７】
この場合、図２７に示すように、径の異なるコイル１を備えたアクチュエータを直列に接続したり、図２８に示すように、素線の径の異なるコイル１を備えたアクチュエータを直列に接続してもよい。
【００４８】
図２９に示すアクチュエータは、形状記憶合金からなるとともに軸方向と直交する面上で渦巻きを描くスパイラル型コイル１の両端部に熱電素子４を接合したものを示している。形状記憶合金であるコイル１の伸縮率を高くすることができる。
【００４９】
この時の熱電素子４は、図３０に示すように、スパイラル型コイル１の外面の軸方向包絡線に沿って配置しておくと、熱伝導効率を高くすることができる。また、コイル１が軸方向中央で最大径となり、両端で最小径となる場合、熱電素子４もコイル４軸方向において分割されるとともにコイル１中心部から放射状に延びるものとしておくことで、熱電素子４がコイル１の伸縮を阻害することがないものを得ることができる。
【００５０】
形状記憶合金からなるコイル１の加熱・冷却用の熱電素子４の通電量は、図３１に示すように、コイル１の電気抵抗値帰還量Ｒ_Rで調整することが好ましい。抵抗値フィードバックを行うことで、温度フィードバックをかける場合よりも時間遅れの少ない制御を行うことができる。なお、図中のＲ₀は目標指令値（単位Ω）、ΔＲはＲ₀−Ｒ_Rの値である。
【００５１】
この時、図３２に示すように、記憶媒体に予め入力済みのコイル伸縮量θとその際の電気抵抗値Ｒとの関係（θｖｓＲはそのデータベース）に基づいて調整したり、図３３に示すように、記憶媒体に予め入力済みのコイル発生力とその際の電気抵抗値との関係（ＦｖｓＲはそのデータベース）に基づいて調整してもよい。θ₀は位置指令値（単位ｍｍ）、Ｆ₀は発生力指令値（単位Ｎ）である。
【００５２】
熱電素子４への通電量は図３４に示すように、その絶対値を一定電圧のパルス出力で管理するものとし、絶対値の調整はパルス幅またはパルスピッチまたは電圧値の時間的変化で行うと、つまりはＰＷＭ制御で行うのが好ましい。
【００５３】
形状記憶合金からなるコイル１の抵抗値に代えて、コイル１の伸縮に伴うインダクタンスの変化量を帰還させてフィードバック制御してもよい。この場合も時間遅れの少ない制御を行うことができる。
【００５４】
ところで、図２１に示した複数のコイル１，１を並列に設けたものにおいては、図３６にも示すように、各コイル１ごとに熱電素子４用の通電回路を設けて、個別に通電量や極性を制御するとよい。パラレルリンク機構などを構成するのに好都合である。また、図２３に示した形状記憶合金からなる第２のコイル１２を用いているものでは、熱電素子４の加熱面と冷却面の同時有効利用のために、図３７に示すように、熱電素子４への通電極性を出力部の収縮・伸張に際して逆転させるものとする。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、形状記憶合金からなるとともに端部が出力部となっているコイルと、該コイルに軸方向のバイアス力を加えるバイアス部材と、コイルに絶縁材を介して接触する熱電素子とからなり、熱電素子によるコイルの加熱・冷却でコイルに伸縮動作を行わせるために、伸縮出力を得られるとともに高出力を得られるものである。しかも、筒形の絶縁材のコイルが接する面を断面円形とし、熱電素子が接する面を断面多角形としているために、断熱材への熱電素子の接合が容易であると同時に、熱電素子から絶縁材を介したコイルへの熱伝導を良好に行えて、熱応答も良好なものである。
【００５６】
この時、絶縁材の円形断面となっている内面の内周もしくは外面の外周に潤滑媒体を介してコイルを配置すれば、コイルに沿った熱伝導が可能であるために熱応答が更に良好なものとなる。
【００６３】
熱電素子及び熱電素子が接合された絶縁材を柔軟材料で形成して伸縮自在としてもよい。この場合もコイルの伸縮時に熱電素子が追随して伝熱効果を促進する。
【００６４】
熱電素子のコイルと反対側の熱交換面にヒートパイプを接続することも熱伝導効率の促進の点で好ましい。
【００６５】
絶縁材をコイルの周方向に分割してコイルの径方向にバイアス力を作用させるバイアス部材で結合すれば、あるいは絶縁材をコイルの径方向に伸縮自在な弾性体で形成すれば、コイルの伸縮に伴う径変化にも高い伝熱効果を維持することができる。
【００６６】
形状記憶合金からなるコイルを複数並列に配設して各コイルの端部を同一出力部に連結したものであってもよい。高い出力、あるいは形状記憶合金の表面積増大による伝熱特性の向上を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の断面図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上の他例の水平断面図である。
【図４】同上の別の例の水平断面図である。
【図５】同上のさらに他例の水平断面図である。
【図６】同上の別の例の水平断面図である。
【図７】同上の異なる例の水平断面図である。
【図８】他の実施の形態の一例の概略側面図である。
【図９】同上の断面図である。
【図１０】 (a)(b)は同上の他例の断面図と動作説明図である。
【図１１】コイルの素線を示しており、(a)は一例の断面図、(b)は他例の斜視図である。
【図１２】コイルの素線の他例の斜視図である。
【図１３】別の例の断面図である。
【図１４】さらに別の例の断面図である。
【図１５】異なる例の斜視図である。
【図１６】さらに異なる例の斜視図である。
【図１７】 (a)(b)は他例の断面図である。
【図１８】さらに他例の断面図である。
【図１９】別の例を示しており、(a)は斜視図、(b)は断面図である。
【図２０】さらに別の例を示しており、(a)(b)は断面図である。
【図２１】別の実施の形態の一例の断面図である。
【図２２】他例の破断正面図である。
【図２３】さらに他例の断面図である。
【図２４】別の例の断面図である。
【図２５】異なる例の断面図である。
【図２６】さらに異なる例の断面図である。
【図２７】他例の断面図である。
【図２８】さらに他例の断面図である。
【図２９】別の例を示しており、(a)(b)は断面図である。
【図３０】制御方法の一例の説明図である。
【図３１】同上の他例の説明図である。
【図３２】同上の更に他例の説明図である。
【図３３】さらに別の例の説明図である。
【図３４】別の例の説明図である。
【図３５】異なる例の説明図である。
【図３６】さらに異なる例の説明図である。
【図３７】別の例の説明図である。
【符号の説明】
１コイル
２出力軸
３絶縁材
４熱電素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a telescopic actuator .
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Publication No. 63-28753 discloses an actuator composed of a shape memory alloy element that is cantilevered and a thermoelectric element that is in contact with the shape memory alloy element. The shape memory alloy is changed in shape by heating or cooling of the shape memory alloy element by a thermoelectric element.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above, the shape change of the shape memory alloy occurs as a curve, and it is impossible to obtain a material that expands and contracts as an output.
[0004]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an actuator which can obtain a high output on which can be obtained telescopic output.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
Thus, the present invention includes a coil made of a shape memory alloy and having an end serving as an output portion, a bias member that applies an axial bias force to the coil, and a thermoelectric element that contacts the coil via an insulating material. The coil is expanded / contracted by heating / cooling the coil by a thermoelectric element , and the insulating material has a polygonal cross-section on one of its outer or inner surfaces and a circular cross-section on the other. The main feature is that the thermoelectric element is in contact with a polygonal cross-sectional surface and the coil is in contact with a circular cross-sectional surface . By using a shape memory alloy as a coil, an expansion output can be obtained and a high output can be obtained.
[0006]
At this time, it is possible to suitably use an insulating material in which a coil is disposed on the inner circumference or outer circumference of the inner surface having a circular cross section via a lubricating medium.
[0011]
The thermoelectric element and the insulating material to which the thermoelectric element is bonded may be formed of a flexible material so as to be stretchable.
[0012]
It is also preferable to connect a heat pipe to the heat exchange surface opposite to the coil of the thermoelectric element.
[0013]
The insulating material may be divided in the circumferential direction of the coil and combined with a bias member that applies a bias force in the radial direction of the coil, or the insulating material may be formed of an elastic body that can expand and contract in the radial direction of the coil. .
[0014]
A plurality of coils made of shape memory alloy may be arranged in parallel, and the ends of each coil may be connected to the same output unit.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following, the present invention will be described in detail based on an example of the embodiment. In FIG. 1, an output shaft 2 is connected to one end of a coil 1 made of a shape memory alloy. A thermoelectric element 4 is disposed via the material 3. The thermoelectric element 4 in this case has a π-type structure in which a p-type element and an n-type element are sequentially connected in series with an electrode plate, and the heat exchange surface on one side is in contact with the outer surface of the insulating material 3. The heat sink 5 is in contact with the heat exchange surface. Further, one end of a bias member 6 made of a coil spring is fixed to the insulating material 3, and the other end of the bias member 6 is brought into contact with one end of the coil 1 on the output shaft 2 side. In the figure, reference numeral 7 denotes a lubricating medium made of thermally conductive grease disposed at the contact portion between the coil 1 and the insulating material 3.
[0024]
In this actuator, when the coil 1 shown in FIG. 2 is contracted, the heat exchange surface on the insulating material 3 side of the thermoelectric element 1 is changed to the heat radiating surface and the heat sink 5 by switching the polarity of the power supplied to the thermoelectric element 4. If the heat exchange surface on the side is an endothermic surface, the coil 1 made of a shape memory alloy expands by a shape recovery operation and pushes the output shaft 2 in the axial direction while compressing the bias member 6.
[0025]
On the contrary, if the coil 1 is cooled, the rigidity of the coil 1 is lowered and the coil 1 is returned to the original state by the elastic force of the bias member 3.
[0026]
As the shape memory alloy which is the coil 1, an alloy (Nitinol) having a mixing ratio of nickel and titanium of around 50:50 and having an austenite phase at a high temperature and a martensite phase at a low temperature can be suitably used. It may be provided with a high-temperature / low-temperature intermediate phase by heat treatment, or may contain some copper or aluminum, and is not limited to the above.
[0027]
As the insulating material 3, a flexible member such as silicon, rubber, or polyimide, or a rigid body such as anodized or ceramic can be used. However, as shown in FIG. Can be preferably used. Note that the positional relationship between the coil 1 and the thermoelectric element 4 with respect to the insulating material 3 may be reversed, and the coil 1 may be disposed on the outer periphery of the insulating material 3 and the thermoelectric element 4 may be disposed on the inner periphery as shown in FIG. In any case, by making the insulating material 3 cylindrical, heat conduction along the coil 1 is possible and a quick thermal response can be obtained.
[0028]
As shown in FIG. 5 or 6, the insulating material 3 may be a rectangular tube having a polygonal cross section. The thermoelectric element 4 can be easily joined to the inner periphery or outer periphery of the insulating material 3.
[0029]
Of course, as shown in FIG. 7, the thermoelectric element 4 is bonded to the polygonal surface using an insulating material 3 in which one of the cross-sectional shapes of the outer surface or the inner surface is polygonal and the other cross-sectional shape is circular. By bringing the coil 1 into contact with the circular surface, it is possible to facilitate the joining of the thermoelectric element 4 while maintaining good heat conduction characteristics between the insulating material 3 and the coil 1.
[0030]
As shown in FIG. 8, the thermoelectric element 4 may be disposed along the strands of the coil 1 made of a shape memory alloy. Since there is no slip (position change) between the coil 1 and the thermoelectric element 4 due to the shape change of the coil 1, the lubricating medium 7 becomes unnecessary and the thermal resistance can be lowered. In this case, it is preferable that the insulating material 3 has a cross-sectional shape covering the strands of the coil 1 and the thermoelectric element 4 is disposed on the outer surface of the insulating material 3. The peeling of the thermoelectric element 4 can be prevented.
[0031]
The insulating material 3 may be slidable along the wire of the coil 1. FIG. 10 shows an example of this case, and the lubricating medium 7 is interposed between the inner peripheral surface of the insulating material 3 and the wire of the coil 1. The stress at the time of contraction of the coil 1 made of a shape memory alloy can be relieved.
[0032]
When the coil 1 made of a shape memory alloy is provided with irregularities (including irregularities due to rough polishing) 11 as shown in FIG. 11 on the surface of the element wire, the irregularities 11 serve as heat radiation fins. Heat transfer efficiency is improved. Of course, as shown in FIG. 12, a heat radiating member 12 having a higher thermal conductivity than the shape memory alloy may be attached to the surface of the coil 1.
[0033]
As shown in FIG. 13, in the case where the coil 1 is arranged on the inner periphery of the insulating material 3, the heat outflow can be prevented by disposing the heat insulating material 13 further on the inner peripheral side of the coil 1.
[0034]
As shown in FIG. 14, if the thermoelectric element 4 ′ is disposed also at the axial end portion of the coil 1, the heat conduction effect to the coil 1 is improved.
[0035]
FIG. 15 shows the insulating material 3 formed in a spiral shape along the coil 1. Since the thermoelectric element 4 on the outer surface of the insulating material 3 follows the expansion and contraction of the coil 1, the thermal conductivity from the thermoelectric element 4 to the coil 1 can always be kept high. Further, if the helical insulating material 3 is formed of a spring member, the insulating material 3 can be used as a bias member, so that it is not necessary to provide the bias member 6 separately, so that the number of components can be reduced.
[0036]
FIG. 16 shows a structure in which a plurality of ring-shaped members arranged at intervals in the axial direction of the coil 1 are used as the insulating material 3 and the adjacent insulating materials 3 are connected by an elastic material 30. . Also in this case, the thermoelectric element 4 follows the expansion and contraction of the coil 1, and the number of parts can be reduced by making the elastic member 30 also serve as a bias member.
[0037]
Even if the thermoelectric element 4 and the insulating material 3 to which the thermoelectric element 4 is bonded are made of a flexible material so that the coil 1 can expand and contract in the axial direction, the thermoelectric element 4 follows when the coil 1 is extended as shown in FIG. You can get what you want.
[0038]
FIG. 18 shows a structure in which a heat pipe 50 is connected to the heat exchange surface opposite to the coil 1 of the thermoelectric element 4. The heat conduction efficiency of the thermoelectric element 4 can be promoted.
[0039]
FIG. 19 shows still another example of the insulating material 3. Here, the insulating material 3 is divided in the circumferential direction of the coil 1 and the coil 1 is surrounded by a plurality of insulating materials 3, and the insulating material 3 is coupled by a bias member 35 that applies a biasing force in the radial direction of the coil 1. Yes. Since the insulating material 3 follows the diameter change accompanying expansion and contraction of the coil 1 which is a shape memory alloy, the heat conduction characteristic from the thermoelectric element 4 to the coil 1 can be kept high even if the diameter of the coil 1 is reduced.
[0040]
As shown in FIG. 20, the insulating material 3 may be formed of an elastic body that can expand and contract in the radial direction of the coil 1.
[0041]
FIG. 21 shows a structure in which a plurality of blocks made of a shape memory alloy coil 1, an insulating material 3, and a thermoelectric element 4 are arranged in parallel and the ends of the coils 1 and 1 are connected to the same output shaft 2. ing. A higher output can be obtained, and if the output is the same, the surface area of the shape memory alloy (coil 1) can be increased by using two blocks, so the heat transfer characteristics are improved. .
[0042]
As shown in FIG. 22, a second coil 12 made of a shape memory alloy is disposed on the outer peripheral side of the thermoelectric element 4 whose inner peripheral side is in contact with the coil 1 via the insulating material 3. The coil 12 may be used as a bias member. The shape of the second coil 12 is memorized so that the second coil 12 contracts during heating with respect to the coil 1 that has been memorized so as to be stretched during heating. The heating surface and the cooling surface of the thermoelectric element 4 can be effectively used simultaneously.
[0043]
As shown in FIG. 23, a curved shape memory alloy plate 13 is thermally connected to the heat exchange surface on the other side of the thermoelectric element 4, and the energization polarity to the thermoelectric element 4 is changed to that of the coil 1. Even if it is reversed during contraction / extension, the heating surface and the cooling surface of the thermoelectric element 4 can be effectively used at the same time, and not only expansion / contraction but also bending operation can be obtained.
[0044]
Furthermore, as shown in FIG. 24, a block composed of the coil 1, the insulating material 3, and the thermoelectric element 5 is arranged in a multiplex manner in the radial direction, and the characteristics of each coil 1 are contracted and expanded when heated. Is alternately used in the radial direction, the generated force can be increased in addition to the simultaneous effective use of the heating surface and the cooling surface of the thermoelectric element 4.
[0045]
FIG. 25 shows another embodiment. This shows a thermoelectric element 4 in which an electrode plate that connects a p-type element and an n-type element is formed of a shape memory alloy and has a spiral shape that follows the coil 1. As the coil 1 expands and contracts, the spiral thermoelectric element 4 also expands and contracts, so that high heat transfer efficiency can be obtained. Although not shown in the figure, the insulating material 3 is also interposed between the thermoelectric element 4 and the coil 1 in this case.
[0046]
FIG. 26 shows two actuators connected in series. The displacement amount of the output shaft 2 can be increased. Moreover, the multistage expansion-contraction amount change can be obtained by individually controlling the energization of each actuator to the thermoelectric element 4.
[0047]
In this case, as shown in FIG. 27, an actuator provided with a coil 1 having a different diameter is connected in series, or as shown in FIG. 28, an actuator provided with a coil 1 having a different wire diameter is connected in series. May be.
[0048]
The actuator shown in FIG. 29 is made of a shape memory alloy and has a thermoelectric element 4 joined to both ends of a spiral coil 1 that draws a spiral on a surface orthogonal to the axial direction. The expansion / contraction rate of the coil 1 which is a shape memory alloy can be increased.
[0049]
If the thermoelectric element 4 at this time is arranged along the axial envelope of the outer surface of the spiral coil 1 as shown in FIG. 30, the heat conduction efficiency can be increased. When the coil 1 has the maximum diameter at the center in the axial direction and the minimum diameter at both ends, the thermoelectric element 4 is also divided in the axial direction of the coil 4 and extends radially from the center of the coil 1. 4 in which the expansion and contraction of the coil 1 is not hindered can be obtained.
[0050]
The energization amount of the thermoelectric element 4 for heating / cooling the coil 1 made of the shape memory alloy is preferably adjusted by the electric resistance value feedback amount R _R of the coil 1 as shown in FIG. By performing resistance value feedback, it is possible to perform control with less time delay than when temperature feedback is applied. In the figure, R ₀ is a target command value (unit Ω), and ΔR is a value of R ₀ -R _R.
[0051]
At this time, as shown in FIG. 32, the adjustment is made based on the relationship between the coil expansion / contraction amount θ input in advance to the storage medium and the electric resistance value R at that time (θ vs R is a database thereof), or as shown in FIG. In addition, adjustment may be made based on the relationship (FvsR is a database thereof) between the coil generation force already input to the storage medium and the electrical resistance value at that time. θ ₀ is a position command value (unit: mm), and F ₀ is a generated force command value (unit: N).
[0052]
As shown in FIG. 34, the energization amount to the thermoelectric element 4 is managed by a pulse output of a constant voltage, and the absolute value is adjusted by changing the pulse width or pulse pitch or the voltage value over time. That is, it is preferable to carry out by PWM control.
[0053]
Instead of the resistance value of the coil 1 made of the shape memory alloy, feedback control may be performed by feeding back the amount of change in inductance accompanying expansion and contraction of the coil 1. Also in this case, control with little time delay can be performed.
[0054]
Incidentally, in the case where the plurality of coils 1 and 1 shown in FIG. 21 are provided in parallel, as shown in FIG. 36, an energization circuit for the thermoelectric element 4 is provided for each coil 1, and the energization amount is individually provided. And the polarity should be controlled. It is convenient to construct a parallel link mechanism or the like. Further, in the case where the second coil 12 made of the shape memory alloy shown in FIG. 23 is used, for simultaneous effective use of the heating surface and the cooling surface of the thermoelectric element 4, as shown in FIG. The energization polarity to 4 is reversed when the output portion contracts or expands.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, a coil made of a shape memory alloy and having an end serving as an output portion, a bias member that applies an axial bias force to the coil, and the coil are in contact with each other via an insulating material. It consists of a thermoelectric element, and in order to cause the coil to perform an expansion / contraction operation by heating / cooling the coil by the thermoelectric element, it is possible to obtain an expansion / contraction output and a high output. In addition, since the surface of the cylindrical insulating material in contact with the coil is circular in cross section and the surface of contact with the thermoelectric element is polygonal in cross section, the thermoelectric element can be easily joined to the heat insulating material and at the same time insulated from the thermoelectric element. The heat conduction to the coil through the material can be performed well, and the thermal response is also good.
[0056]
At this time, if the coil is arranged on the inner circumference or outer circumference of the inner surface having a circular cross section of the insulating material via a lubricating medium, heat conduction along the coil is possible, so that the thermal response is further improved. It will be a thing.
[0063]
The thermoelectric element and the insulating material to which the thermoelectric element is bonded may be formed of a flexible material so as to be stretchable. Also in this case, the thermoelectric element follows when the coil expands and contracts to promote the heat transfer effect.
[0064]
It is also preferable in terms of promoting heat conduction efficiency to connect a heat pipe to the heat exchange surface opposite to the coil of the thermoelectric element.
[0065]
If the insulating material is divided in the circumferential direction of the coil and combined with a bias member that applies a bias force in the radial direction of the coil, or if the insulating material is formed of an elastic body that can expand and contract in the radial direction of the coil, the expansion and contraction of the coil A high heat transfer effect can be maintained even with a diameter change accompanying the.
[0066]
A plurality of coils made of shape memory alloy may be arranged in parallel, and the ends of each coil may be connected to the same output unit. High output or improved heat transfer characteristics due to an increase in the surface area of the shape memory alloy can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 3 is a horizontal sectional view of another example of the above.
FIG. 4 is a horizontal sectional view of another example of the above.
FIG. 5 is a horizontal sectional view of still another example of the above.
FIG. 6 is a horizontal sectional view of another example of the above.
FIG. 7 is a horizontal sectional view of a different example of the above.
FIG. 8 is a schematic side view of an example of another embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the above.
FIGS. 10A and 10B are a sectional view and an operation explanatory view of another example of the above.
FIGS. 11A and 11B show a coil wire, in which FIG. 11A is a cross-sectional view of an example, and FIG. 11B is a perspective view of another example.
FIG. 12 is a perspective view of another example of a coil wire.
FIG. 13 is a cross-sectional view of another example.
FIG. 14 is a cross-sectional view of still another example.
FIG. 15 is a perspective view of a different example.
FIG. 16 is a perspective view of still another example.
17 (a) and 17 (b) are cross-sectional views of other examples.
FIG. 18 is a cross-sectional view of still another example.
FIG. 19 shows another example, in which (a) is a perspective view and (b) is a cross-sectional view.
FIG. 20 shows still another example, and (a) and (b) are cross-sectional views.
FIG. 21 is a cross-sectional view of an example of another embodiment.
FIG. 22 is a cutaway front view of another example.
FIG. 23 is a cross-sectional view of still another example.
FIG. 24 is a cross-sectional view of another example.
FIG. 25 is a cross-sectional view of a different example.
FIG. 26 is a cross-sectional view of still another example.
FIG. 27 is a cross-sectional view of another example.
FIG. 28 is a cross-sectional view of still another example.
FIG. 29 shows another example, and (a) and (b) are cross-sectional views.
FIG. 30 is an explanatory diagram of an example of a control method.
FIG. 31 is an explanatory diagram of another example of the above.
FIG. 32 is an explanatory diagram of still another example of the above.
FIG. 33 is an explanatory diagram of still another example.
FIG. 34 is an explanatory diagram of another example.
FIG. 35 is an explanatory diagram of a different example.
FIG. 36 is an explanatory diagram of still another example.
FIG. 37 is an explanatory diagram of another example.
[Explanation of symbols]
1 Coil 2 Output shaft 3 Insulating material 4 Thermoelectric element

Claims

形状記憶合金からなるとともに端部が出力部となっているコイルと、該コイルに軸方向のバイアス力を加えるバイアス部材と、コイルに絶縁材を介して接触する熱電素子とからなり、熱電素子によるコイルの加熱・冷却でコイルに伸縮動作を行わせるものであって、絶縁材はその外面または内面の一方の断面形状が多角形、他方の断面形状が円形となっている筒形であり、多角形断面となっている面に上記熱電素子が接しており、円形断面となっている面に上記コイルが接触していることを特徴とするアクチュエータ。A coil made of a shape memory alloy and having an end serving as an output portion, a bias member that applies an axial bias force to the coil, and a thermoelectric element that contacts the coil via an insulating material. The coil is expanded and contracted by heating and cooling the coil, and the insulating material has a cylindrical shape in which one of the outer and inner surfaces is polygonal and the other is circular. An actuator, wherein the thermoelectric element is in contact with a surface having a square cross section, and the coil is in contact with a surface having a circular cross section .

絶縁材の円形断面となっている内面の内周もしくは外面の外周に潤滑媒体を介してコイルを配置していることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。 2. The actuator according to claim 1, wherein a coil is disposed on the inner circumference or outer circumference of the inner surface of the insulating material having a circular cross section via a lubricating medium.

熱電素子及び熱電素子が接合された絶縁材が柔軟材料で形成されて伸縮自在となっていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。 The actuator according to claim 1, wherein the thermoelectric element and the insulating material to which the thermoelectric element is bonded are formed of a flexible material and are stretchable .

熱電素子のコイルと反対側の熱交換面にヒートパイプを接続していることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。 The actuator according to claim 1, wherein a heat pipe is connected to a heat exchange surface opposite to the coil of the thermoelectric element .

絶縁材はコイルの周方向に分割されていてるとともにコイルの径方向にバイアス力を作用させるバイアス部材で結合されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。 2. The actuator according to claim 1, wherein the insulating material is divided in a circumferential direction of the coil and is coupled by a bias member that applies a bias force in the radial direction of the coil .

絶縁材はコイルの径方向に伸縮自在な弾性体で形成されていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のアクチュエータ。 The actuator according to claim 1, wherein the insulating material is formed of an elastic body that can expand and contract in a radial direction of the coil .

形状記憶合金からなるコイルが複数並列に配設されているとともに各コイルの端部が同一出力部に連結されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。 2. The actuator according to claim 1, wherein a plurality of coils made of shape memory alloy are arranged in parallel and ends of each coil are connected to the same output portion .