JP2020123058A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】複数本の形状記憶合金線状体と回路基板上の配線パターンとの接続作業が容易で、しかも長尺状本体の一端を回路基板の表面に固定する必要がないリニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの一端を、ハトメ端子２０Ａ〜２０Ｃを用いて配線パターン６の電極６１Ａ〜６１Ｃに半田付け接続する。３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの他端と導電線２４の他端をハトメ端子２０Ｄを用いて接続する。姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに、長尺状本体７の一端が回路基板５の表面に押しつけられるように、３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの他端と導電線２４の他端とを接続する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、リニアアクチュエータに関するものである。

特開２０１１−１８７０５０号公報には、やわらかい動きや生物的な動きを表現することができる三次元モーション・ディスプレイ装置に用いることができるリニアアクチュエータの従来例が示されている。このリニアアクチュエータは、回路基板からなるベースの表面に一端が固定され且つ他端が自由端となる可撓性を有する長尺状本体と、姿勢変更指令に応じて長尺状本体の姿勢を任意の方向に変更させる姿勢変更機構とを有している。姿勢変更機構は、長尺状本体の内部に配置されて、通電により形状を変形する複数本の形状記憶合金線状体を用いて長尺状本体の姿勢を変更するように構成されている。

特開２０１１−１８７０５０号公報

従来の構造では、リニアアクチュエータの本数が多くなればなるほど、半田付け性の悪い形状記憶合金からなる複数本の形状記憶合金線状体と回路基板上の配線パターン中の電極との接続作業及び回路基板からなるベースに長尺状本体の一端を固定する作業が、非常に面倒であり、時間がかかる問題があった。また一度接続不良が発生しても、回路基板上の配線パターンに損傷を与えることなく、長尺状本体の一端を回路基板から剥がすことが難しく、形状記憶合金線状体と回路基板上の配線パターンとの間の接続不良を簡単に修理できない問題があった。

本発明の目的は、複数本の形状記憶合金線状体と回路基板上の配線パターンとの接続作業が容易で、しかも長尺状本体の一端を回路基板の表面に接着剤を用いて固定する必要がないリニアアクチュエータを提供することにある。

本発明のリニアアクチュエータは、一端が固定端となり且つ他端が自由端となる可撓性を有する長尺状本体と、姿勢変更指令に応じて前記長尺状本体の姿勢を任意の姿勢に変更させる姿勢変更機構とを有するリニアアクチュエータである。そして姿勢変更機構は、長尺状本体の内部にあって、長尺状本体の長手方向に延び且つ長尺状本体の周方向に間隔を開けて配置され、通電で緊張収縮または弛緩伸張する自己伸縮性を有する複数本の形状記憶合金線状体と、複数本の形状記憶合金線状体に個別に電流を流す配線パターンを有する電流供給回路を備えた回路基板を備えている。

本発明においては、複数本の形状記憶合金線状体の一端は、回路基板の配線パターンに半田付けされた複数個のハトメ端子にカシメによってそれぞれ接続されている。また長尺状本体には、長手方向の一端から他端に延び且つ複数の形状記憶合金線状体が貫通する複数の貫通孔が形成されている。そして姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに、長尺状本体の一端が回路基板の表面に押しつけられるように、複数本の形状記憶合金線状体の他端が相互に接続されている。その結果、本発明によれば、半田付け性の悪い形状記憶合金からなる複数本の形状記憶合金線状体を、ハトメ端子を用いて配線パターンに対して簡単に接続することが可能になる。その上、複数本の形状記憶合金線状体の他端を相互に接続するだけで、接着剤等の固定手段を用いることなく、長尺状本体を回路基板上に予め定めた姿勢で配置することができる。その結果、リニアアクチュエータの回路基板上への設置作業が、従来に比べて大幅に楽になる上、リニアアクチュエータの修理または交換を簡単に行うことが可能になる。

なお複数本の形状記憶合金線状体の他端の相互接続にもハトメ端子を用いると、接続が容易になる。

長尺状本体は、弾力性を有する材料により形成されており、姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに、長尺状本体はその弾力性により予め定めた姿勢に復帰する。なお記弾力性を有する材料としては、ゴム系材料が好ましい。特に、長尺状本体は、シリコーンゴム材料によって一体成形されたものであるのが好ましい。

具体的には、回路基板の表面に形成された配線パターンには、複数個のハトメ端子が半田接続される複数の半田付け電極が形成されているのが好ましいい。そしてハトメ端子は、筒部の一端にフランジ部を有する形状を有しているものを用いるのが好ましい。この場合に、ハトメ端子のフランジ部が、半田付け電極に半田付け接続されており、筒部に形状記憶合金線状体の一端が挿入された状態で筒部がカシメられた状態にあるのが好ましい。このような構造であれば、複数の形状記憶合金線状体を簡単且つ確実に回路パターンに対して機械的且つ電気的に接続することができる。なお長尺状本体に形成された複数の貫通孔の回路基板側に位置する一端に複数のハトメ端子の筒部が嵌合されているのが好ましい。この篏合によって、長尺状本体の一端の回路パターンに対する位置決めを確実なものとすることができる。

回路基板には、複数の半田付け電極によって囲まれる位置に回路基板を厚み方向に貫通する孔部が形成されており、長尺状本体には、複数の貫通孔によって囲まれる位置に、一端が孔部と整合し長手方向に延びる中心貫通孔が形成されていてもよい。さらに孔部及び中心貫通孔を通り、一端が回路基板の裏面に形成された共通電極に接続され他端が中心貫通孔の他端から延び出る導電線を備えてもよい。この場合、複数本の形状記憶合金線状体の他端が導電線の他端に接続されており、姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに、長尺状本体の一端が回路基板の表面に押しつけられるように、複数本の形状記憶合金線状体の他端と導電線の他端とが接続されているのが好ましい。このようにすると複数本の形状記憶合金線状体への通電を少ない１本の導電線を用いて可能にすることができる。

なお複数本の形状記憶合金線状体の他端と導電線の他端とが共通接続用のハトメ端子の筒部内に挿入された状態で、筒部がカシメられた状態にするのが好ましい。このような共通接続用のハトメ端子を用いると、複数本の形状記憶合金線状体及び銅電線を簡単且つ確実に共通接続することができる。

本実施の形態のリニアアクチュエータを用いた三次元ディスプレイ装置のディスプレイ部の構成を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態のリニアアクチュエータの分解斜視図である。 （Ａ）乃至（Ｆ）は、図２のリニアアクチュエータの組み立てを説明するために用いる図である。 （Ａ）は発明者が従前に提案したリニアアクチュエータの斜視図、（Ｂ）はリニアアクチュエータの要部の分解斜視図、（Ｃ）は図４（Ｂ）の拡大斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、発明者が従前に提案したリニアアクチュエータの構造と動きを示す図である。

以下図面を参照して本発明のリニアアクチュエータの実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本実施の形態のリニアアクチュエータ３を用いた三次元ディスプレイ装置のディスプレイ部１の構成を示す概略斜視図である。以下本実施の形態のリニアアクチュエータ３を用い三次元ディスプレイ装置の概略を説明した後、本実施の形態の具体的な構成について説明する。三次元ディスプレイ装置のディスプレイ部１は、駆動指令に応じて駆動状態になる複数の駆動回路によってそれぞれ駆動される複数のリニアアクチュエータ３と、複数のリニアアクチュエータ３の複数の駆動回路に駆動指令を個別に与える図示しない駆動指令発生装置を備えている。リニアアクチュエータ３は、回路基板５と、回路基板５に設けられた長尺状本体７を備えている。複数のリニアアクチュエータ３は、例えば長尺状本体７が１ｃｍ²当たり４本以上の密度で植設されるように設置面上に敷き詰められる。

図１に示すディスプレイ部１は、リニアアクチュエータ３が複数、設置面に沿って等間隔で並べられることにより構成される。複数のリニアアクチュエータ３の複数の回路基板５が、設置面に沿って並べられた状態で、曲がることが可能で且つ電気的な接続が可能な接続構造を構成するフレキシブル回路基板からなる接続構造基板８を介して隣接する他のリニアアクチュエータ３と接続されている。曲がることが可能で且つ電気的な接続が可能な接続構造基板８を介して隣接する他のリニアアクチュエータ３が接続されると、回路基板５の大きさを適宜の大きさとすることにより、三次元形状の物の表面に沿って複数の回路基板５を配置し、その回路基板５の上に実装した１以上の長尺状本体７を駆動することにより、三次元形状物の表面に倣うことが容易な複数の回路基板５からなる基板群を用いて任意の三次元ディスプレイを表現することが簡単になる。三次元構造体の表面としては、人の頭部に装着される帽子等の頭部被覆物の表面でもよいし、また被服の表面でもよい。図１に示した回路基板５の輪郭は、三角形形状を有しているが他の多角形形状でもよいのは勿論である。また複数枚の回路基板５をフレキシブルな接続構造基板８を用いずに、一枚のフレキシブル基板に対して複数の長尺状本体７を設置する構成を採用してよいのは勿論である。

図２及び図３（Ａ）乃至（Ｆ）は、本実施の形態のリニアアクチュエータの構成を説明するために用いる斜視図及び細部の説明に用いる図である。これらの図を用いて説明する前に、本実施の形態の特徴を理解することを容易にするために、発明者が先に提案（特願２０１７−１６４９１７号）した従来のリニアアクチュエータ３´の構成について図４及び図５を用いて説明する。長尺状本体７´は、下端が回路基板５´に接着剤を用いて固定されて回路基板５の上面に突設されている。長尺状本体７´の下端の端面からは、８本のエナメル線１４´が延びており、６本が図示しない電流供給回路に、２本が図示しない発光駆動回路にそれぞれ接続されて、駆動用電流と発光用電流が流される。長尺状本体７´の上端には、透光性を有する拡散光キャップ１５´が長尺状本体７´の上端の端面を覆うように取り付けられている。拡散光キャップ１５´の内部に位置する長尺状本体７´の上端には、ＬＥＤ（発光ダイオード）１２Ａ´を発光源とする発光手段１２´が設けられている。長尺状本体７´は、自立性の無いシリコンチューブ製の外装部の内部に自立性を有する長尺状芯材として超弾性形状記憶合金からなる線状バネ部材１０´が配置されて自立性を補助するようにしている。長尺状本体７´に設けられた中央貫通孔１６´は、長尺状本体７´の中心に空けられている。中央貫通孔１６´には、下端が回路基板５に固定された線状バネ部材１０´が挿通されて、長尺状本体７´を自立させている。また中央貫通孔１６´の上にはＬＥＤ１２Ａ´が基板に実装された発光手段１２´が配置されており、ＬＥＤ１２´Ａへの発光用電流を流すためのエナメル線１４”が中央貫通孔１６´を通っている。

中央貫通孔１６´を囲むように、長尺状本体７´の中心から半径方向にずれた位置に、周方向に間隔をあけて３組の一対の周辺貫通孔１７´、１８´及び１９´が設けられている。各周辺貫通孔１７´、１８´及び１９´の長尺状本体７´の上端面の開口部周縁は、それぞれハトメ２０´が貼付されて、シリコンチューブの破損を防止している。各組の周辺貫通孔１７´、１８´及び１９´には、それぞれ形状記憶合金線状体２１Ａ´、２１Ｂ´及び２１Ｃ´が挿通されている。一対の周辺貫通孔１７´の一方に、形状記憶合金線状体２１Ａ´の先端を、周辺貫通孔１７´の下端側から上端側に通していき、上端側から突き出した形状記憶合金線状体２１Ａの先端を他方の周辺貫通孔１７´の上端から下端側に通し、先端及び後端を長尺状本体７´の下端近くに固定することにより、形状記憶合金線状体２１´Ａは長尺状本体７´の上端及び下端に対し固定される。形状記憶合金線状体２１´Ａの先端及び後端にはエナメル線１４”が接続されている。

図４及び図５に示した、発明者が先に提案したリニアアクチュエータ３´では、長尺状本体７´が自立性を有していないため、図示しない自立性を有する長尺状芯材として超弾性形状記憶合金からなる線状バネ部材１０´を配置しており、しかも長尺状本体７´の下端（一端）を回路基板５´の上に接着している。この構造では、部品点数が多くなるだけでなく、接続作業が面倒である上、修理が実質的にできない問題を生じる。

これに対して図２及び図３（Ａ）乃至（Ｆ）に示す構造を有する本実施の形態のリニアアクチュエータであれば、このような問題が生じることはない。本実施の形態のリニアアクチュエータ３は、一端が固定端となり且つ他端が自由端となる可撓性を有する長尺状本体７と、姿勢変更指令に応じて長尺状本体７の姿勢を任意の姿勢に変更させる姿勢変更機構（５，６，２１Ａ〜２１Ｃ）とを有する。長尺状本体７は、弾力性または可撓性を有して、しかもそれ自体で自立性を有し且つ姿勢変更機構（５，６，２１Ａ〜２１Ｃ）が非駆動状態にあるときに予め定めた姿勢となる構造を有している。これを実現するために、長尺状本体７を構成するゴム材料（本実施の形態では、シリコーンゴム材料）の材質は適宜に選定されている。そして姿勢変更機構は、長尺状本体７の内部にあって、長尺状本体７の長手方向に延び且つ長尺状本体７の周方向に間隔を開けて配置され、通電で緊張収縮、非通電で弛緩伸張する自己伸縮性を有する複数本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃと、複数本の形状記憶合金線状体に個別に電流を流す配線パターン６を有する電流供給回路を備えた回路基板５を備えている。また長尺状本体７には、長手方向の一端から他端に延び且つ複数の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃが貫通する３本の周辺貫通孔１７〜１９が形成されている。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの一端は、回路基板５の配線パターン６の３個の半田付け電極６１Ａ〜６１Ｃに半田付けされる３個のハトメ端子２０Ａ〜２０Ｃにカシメによってそれぞれ接続されている。図３（Ｂ）にハトメ端子２０Ａを代表例として示すように、ハトメ端子２０Ａは、筒部２０ｂの一端にフランジ部２０ａを有する形状を有している。本実施の形態では、図３（Ｃ）〜（Ｆ）に示すように、ハトメ端子２０Ａのフランジ部２０ａが、回路基板５の半田付け電極６１Ａ〜６１Ｃに半田層２５によって半田付け接続される。本実施の形態では、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、半田付け前に筒部２０ｂに形状記憶合金線状体２１Ａの一端が挿入された状態で筒部２０ｂがカシメられている。このような構造であれば、形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃを簡単且つ確実に配線パターン６に対して機械的且つ電気的に接続することができる。なお本実施の形態では、長尺状本体７に形成された３個の周辺貫通孔１７〜１９の回路基板５側に位置する一端にハトメ端子２０Ａ〜２０Ｃの筒部２０ｂが嵌合されている。この篏合によって、長尺状本体７の一端の配線パターン６に対する位置決めが確実なものとなっている。

また回路基板５には、３つの半田付け電極６１Ａ〜６１Ｃによって囲まれる位置に回路基板５を厚み方向に貫通する孔部２３が形成されている。そして長尺状本体７には、３本の周辺貫通孔１７〜１９によって囲まれる位置に、一端が孔部２３と整合し長手方向に延びる中心貫通孔１６が形成されている。本実施の形態では、さらに孔部２３及び中心貫通孔１６を通り、一端が回路基板５の裏面に形成された図示しない共通電極（一般的に接地電極）に接続され他端が中心貫通孔１６の他端から延び出る導電線２４を備えている。

本実施の形態では、３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの他端が導電線２４の他端にハトメ端子２０Ｄを用いて接続されている。そして姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに、長尺状本体７の一端が回路基板５の表面に押しつけられるように、３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの他端と導電線２４の他端とが接続されている。このようにすると３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃから選択した１本の形状記憶合金線状体と導電線２４との間に電流を供給すればよい。

なお導電線２４がある場合でも、また導電線２４がない場合でも、姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに、長尺状本体７の一端が回路基板５の表面に押しつけられるようにして、３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの他端に導電性テープを巻き付けることにより、締め付け力で、３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃを直接相互に接続してもよい。また、ハトメ端子２０Ｄを用いて３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃを相互に接続してもよい。ハトメ端子２０Ｄを用いる場合には、ハトメ端子２０Ｄを長尺状本体７の他端（上端）の上に押し付けて長尺状本体７の一端（下端）を回路基板５の表面に押し付け、且つ３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃを上に引っ張った状態で、筒部２０ｂのカシメ作業を行えばよい。

本実施の形態によれば、半田付け性の悪い複数本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃを、ハトメ端子２０Ａ〜２０Ｃを用いて配線パターン６の電極６１Ａ〜６１Ｃに対して簡単に接続することが可能になる。その上、複数本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの他端を相互に接続するだけで、接着剤等の固定手段を用いることなく、長尺状本体７を回路基板５上に予め定めた姿勢で配置することができる。その結果、リニアアクチュエータ３の回路基板５上への設置作業が、従来に比べて大幅に楽になる上、リニアアクチュエータ３の修理または交換を簡単に行うことが可能になる。

長尺状本体７は、形状記憶合金線状体２１Ａ，２１Ｂまたは２１Ｃに電流を流すことにより、長尺状本体７を任意の方向に曲げることができる。例えば長尺状本体７を曲げる場合には、形状記憶合金線状体２１Ａのみに通電すると、形状記憶合金線状体２１Ａが緊張収縮して長尺状本体７の上端面を下端方向に引っ張り、長尺状本体７を形状記憶合金線状体２１Ａが位置する方向に曲げる。逆方向に曲げるためには、形状記憶合金線状体２１Ｂ及び２１Ｃに同じ電流を流すと、長尺状本体７は形状記憶合金線状体２１Ｂと２１Ｃとの丁度中間に向かう方向に曲がることになる。各形状記憶合金線状体２１Ａ，２１Ｂ及び２１Ｃに流す電流の量やタイミングを適切に設定することにより、長尺状本体７は単に一方向に向かって曲がるだけでなく、旋回や振動やその組み合わせのような複雑な運動を実行することができる。

本実施の形態では、ハトメ端子の電極上への半田付け前に、ハトメ端子への形状記憶合金線状体のカシメ作業を行っているが、半田付け後にハトメ端子への形状記憶合金線状体のカシメ作業を行ってもよいのは勿論である。

上記実施の形態において、図４に示した従来のリニアアクチュエータと同様に長尺状本体７の上端にＬＥＤ等からなる発光手段１２´を実装してもよい。この場合にも、発光手段１２´に発光用電流を供給するエナメル線１４”の固定には、本実施の形態と同様にハトメ端子を用いた接続構造を用いればよい。

本発明によれば、半田付け性の悪い形状記憶合金からなる複数本の形状記憶合金線状体を、ハトメ端子を用いて配線パターンに対して簡単に接続することが可能になる。その上、複数本の形状記憶合金線状体の他端を相互に接続するだけで、接着剤等の固定手段を用いることなく、長尺状本体を回路基板上に予め定めた姿勢で配置することができる。その結果、リニアアクチュエータの回路基板上への設置作業が、従来に比べて大幅に楽になる上、リニアアクチュエータの修理または交換を簡単に行うことが可能になる。

１ ディスプレイ部
３ リニアアクチュエータ
５ 回路基板
６ 配線パターン
７ 長尺状本体
８ 接続構造基板
１６ 中央貫通孔
１７，１８，１９ 周辺貫通孔
２０Ａ〜２０Ｄ ハトメ端子
２１Ａ〜２１Ｃ 形状記憶合金線状体
２３ 孔部
２４ 導電線
６１Ａ〜６１Ｃ 半田付け電極

Claims (8)

1. 一端が固定端となり且つ他端が自由端となる可撓性を有する長尺状本体と、姿勢変更指令に応じて前記長尺状本体の姿勢を任意の姿勢に変更させる姿勢変更機構とを有し、
   前記姿勢変更機構が、
   前記長尺状本体の内部にあって、前記長尺状本体の長手方向に延び且つ前記長尺状本体の周方向に間隔を開けて配置され、通電で緊張収縮または弛緩伸張する自己伸縮性を有する複数本の形状記憶合金線状体と、
   前記複数本の形状記憶合金線状体に個別に電流を流す配線パターンを有する電流供給回路を備えた回路基板を備えているリニアアクチュエータであって、
   前記複数本の形状記憶合金線状体の一端は、前記回路基板の前記配線パターンに半田付けされた複数個のハトメ端子にカシメによってそれぞれ接続されており、
   前記長尺状本体には、長手方向の一端から他端に延び且つ前記複数の形状記憶合金線状体が貫通する複数の貫通孔が形成されており、
   前記姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに、前記長尺状本体の前記一端が前記回路基板の前記表面に押しつけられるように、前記複数本の形状記憶合金線状体の他端が相互に接続されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記長尺状本体は、弾力性を有する材料により形成されており、
   前記姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに、前記長尺状本体は前記弾力性により前記予め定めた姿勢に復帰する請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記弾力性を有する材料は、ゴム系材料である請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記長尺状本体は、シリコーンゴム材料によって一体成形されたものである請求項３に記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記回路基板の表面に形成された前記配線パターンには、前記複数個のハトメ端子が半田接続される複数の半田付け電極が形成されており、
   前記ハトメ端子は、筒部の一端にフランジ部を有する形状を有しており、
   前記ハトメ端子の前記フランジ部が、前記半田付け電極に半田付け接続されており、
   前記筒部に前記形状記憶合金線状体の一端が挿入された状態で前記筒部がカシメられた状態にある請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
6. 前記複数の貫通孔の前記回路基板側に位置する前記一端に前記複数のハトメ端子の前記筒部が嵌合されている請求項５に記載のリニアアクチュエータ。
7. 前記回路基板には、前記複数の半田付け電極によって囲まれる位置に前記回路基板を厚み方向に貫通する孔部が形成されており、
   前記長尺状本体には、前記複数の貫通孔によって囲まれる位置に、一端が前記孔部と整合し前記長手方向に延びる中心貫通孔が形成されており、
   前記孔部及び前記中心貫通孔を通り、一端が前記回路基板の裏面に形成された共通電極に接続され他端が前記中心貫通孔の他端から延び出る導電線を備えており、
   前記複数本の形状記憶合金線状体の他端が前記導電線の他端に接続されており、
   前記姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに、前記長尺状本体の前記一端が前記回路基板の前記表面に押しつけられるように、前記複数本の形状記憶合金線状体の他端と前記導電線の前記他端とが接続されていることを特徴とする請求項５に記載のリニアアクチュエータ。
8. 前記複数本の形状記憶合金線状体の前記他端と前記導電線の前記他端とが共通接続用のハトメ端子の筒部内に挿入された状態で、前記筒部がカシメられた状態にある請求項７に記載のリニアアクチュエータ。