JPH01100385A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、形状記憶合金を操作ばねとして用い、該操
作ばねへの直接通電加熱による形状記憶合金の形状回復
力を操作力として位置制御、荷重制御等を行うアクチュ
エータに関する。

〔従来の技術〕

周知のように形状記憶合金は、その変態点温度を境にそ
の上下の温度で結晶構造が変わり、かつその変態点温度
以下の状態で与えた変形が変態点温度以上に加熱すると
元の形状に回復する形状記憶効果をもった合金であり、
この形状記憶効果の特性を活用して最近では各種の分野
で応用されるようになっている。

またその応用の一端として形状記憶合金を用いたアクチ
エエータの開発が進められている。かかる形状記憶合金
を用いたアクチュエータは機構が簡単で小形、軽量化が
図れる他、温度以外の耐環境性に優れた特長があり、従
来の電磁ソレノイドに代わるアクチュエータとして、最
近では各種分野で応用例が報告されている。

次に形状記憶合金を用いたアクチュエータの従来におけ
る代表的な構造例を第１０図に示す。図において、１は
ＮｉＴｉ合金にチノール合金）等の太さ一定な形状記憶
合金の線材を巻回したコイル状の操作ばね、２はコイル
状のバイアスばね、３は操作ロッドであり、該操作ロッ
ド３に対しロッドフランジ３１の左右両側に前記操作ば
ね１．バイアスばね２を装着した上で、これら部品の組
立体をフレーム４内に組み込んでアクチュエータを構成
している。また形状記憶合金製の操作ばね１はその両端
に配した電極板５を介して電流供給装置６より直接通電
されるようになっている。

かかる構成で、形状記憶合金の変態点温度以下の常温で
は操作ばね１はバイアスばね２のばね力により左側に押
されて縮むように変形し、操作ロッド３は図示状、態に
待機している。ここで電流供給装置６より電極板５を介
して操作ばね１に直接通電し、形状記憶合金を変態点温
度以上に昇温加熱すると形状回復し、操作ばね１はバイ
アスばね２に抗して操作ロッド３を右方に駆動する。つ
まり通電、非通電の制御により操作ロッド３が矢印Ａの
二方向で移動動作することになる。

なお、前記した形状記憶合金としてＮｉＴｉ合金で作ら
れた操作ばね１の特性として、ばねを一定のたわみ状態
に拘束保持した際の温度Ｔと荷重Ｐとの関係、およびば
ねに一定の荷重を加えて保持した際の温度Ｔとたわみδ
との関係をそれぞれ第１１図、第１２図に示す。この特
性図から明らかなように形状記憶合金製の操作ばねは形
状記憶合金の変態点温度付近でその特性が急激に変化し
、それ以外の温度領域では殆ど変化がない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで前記した従来のアクチュエータでは、荷重、た
わみ等の動作特性が形状記憶合金の変態点温度を境にス
テップ的に急激変化するためにオン、オフ動作形のアク
チュエータとして使用する場合にはなんら差支えないが
、例えば位置制御等を行う比例動作形アクチュエータと
して使用するには形状記憶合金の変態点温度付近の狭い
温度領域で極めて精度の高い温度制御が必要となり、こ
のままでは比例動作形アクチュエータとして殆ど実用に
供し得ない。

この発明は上記の点にかんがみ成されたものであり、そ
の目的は特に形状記憶合金で作られた操作ばねを改良す
ることにより比例動作形アクチュエータとして適用でき
る連続制御の可能なアクチュエータを提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、この発明によれば、形状
記憶合金を操作ばねとして用い、該操作ばねへの直接通
電加熱による形状記憶合金の形状回復力を操作力として
所要動作の制御を行うアクチュエータにおいて、前記操
作ばねの全長域に亙り形状記憶合金の電気抵抗値分布を
連続ないし段階的に変化させ、通電量に対応して変化す
る操作力を得るように構成するものとする。

〔作用〕

上記の構成で、操作ばねは断面積をその長手方向に沿っ
て連続ないし段階的に変化させ、その断面積の変化に対
応した電気抵抗値の分布を得るようにしている。

かかる形状記憶合金の操作ばねに対し、電流供給装置よ
り電流をパルス幅変調方式でそのデユーティ比を変えな
がら供給すると、そのジュール熱による操作ばねの発熱
温度は長手方向に沿って−様でなく電気抵抗値分布に対
応した温度分布で変化して行く。これに伴い形状記憶合
金の変態点塩　　“度を超える領域が連続ないし段階的
に変化し、操作ばね全体としての発生荷重は通電量に応
じてコントロールできるようになる。したがって上記の
操作ばねにバイアスばねを組合せたり、独立して互いに
逆方向に通電制御される２木の形状記憶合金製ばねを組
合せることにより、通電量に応じて高精度な位置制御、
荷重制御を行う比例動作形アクチュエータが実現できる
ことになる。

〔実施例〕 第１図、第２図はそれぞれ本発明による往復移動型１回
転アーム型アクチュエータの実施例を示すものである。

なお第１図において第１０図に対応する同一部材には同
じ符号が付しである。

まず第１図において、アクチエエータの基本構造は第１
０図と同様であり、ここで形状記憶合金で作られた操作
ばね１０はその全長域に亙って断面積が−様な太さでな
く、左端が太くて右端側へ行くにしたがって漸次細くな
る線材をコイル状に巻回して作られている。またフレー
ム４の中間部にはストッパとなる段差４１が形成されて
おり、常温状態でバイアスばね２のばね力により形状記
憶合金の操作ばね１０の各ターン間が接触して電気的に
短絡したり５異常な熱伝導を引き起こすことを防止する
ようにしている。

次に上記構成における操作ばね１０についての各種動作
特性を第１０図に示した一様な太さの操作ばね１と対比
して説明する。まず第３図、第４図。

および第５図に示すようにそれぞれコイル径をｒとした
線径ｄｉが−、定な形状記憶合金製のコイル状操作ばね
１．および線径ｄ２が長手方向で連続的に変化する形状
記憶合金製のコイル状操作ばね１０に対し一定のたわみ
δ０を与えた状態で、電流供給装置６より電極板５を介
して操作ばねに直接通電して加熱した際に発生する荷重
ＰＬ、　Ｐ２について検討する。なお操作ばね１．１０
の線径ｄｉ、　ｄ２は操作ばね全体として形状記憶合金
の変態点前後で同じ荷重を発生するように選定するもの
とする。

ここで第５図において、操作ばねのコイル線長手方向の
途中箇所に斜線で示したΔφの微少部分の抵抗Ｒ（φ）
は、核部のコイル線径をｄ、コイル径をｒ、形状記憶合
金の比抵抗をρとすれば、Ｒ（φ）＝ρ・ｒΔφ／　ｒ
ｔ　（ｄ　／　２　）　”−・・−・−（１１となる。

ここで第３図の操作ばねＩはその全長域でコイル線径ｄ
が同じ線径ｄ１であるので（１）式より電気抵抗値Ｒ（
φ）の分布は第６図における線（イ）のようにコイル線
全長域で一定となる。また電流供給装置６より操作ばね
１に通電した際に前記微少部分に発生する発熱量Ｑ（φ
）は、電流をｉ９通電時間をｔとすると、 Ｑ（φン＝ｉ”Ｒφｔ−−−−・−・・−・・・−・−
−−−−−−・−−−・−〜・・−・−・−−−−−＋
２１であり、操作ばね１のコイル全長域における発熱分
布、つまり温度Ｔ（φ）の分布も第６図の（イ）線のよ
うになる。

これに対して第４図に示した操作ばね１０では、コイル
線径ｄ２が一定でなく長手方向に沿って連続的に変化し
ているために、第５図でφに沿ってコイル線径ｄが次第
に大きくなるとすれば（１）式よりその電気抵抗値の分
布、並びに通電に伴う発熱。

温度分布は第６図における（口）線として表されること
になる。

次に通電に伴う形状記憶合金の形状回復力で操作コイル
１，１０に発生する荷重Ｐに付いて考察する。コイル状
操作ばねのたわみδは、コイル線の角歪をω（φ）、コ
イル径をｒとして、となる、なお操作ばねのコイル巻数
をｎとすればφ０は２πｎである。またここでコイル線
径をｄ。

形状記憶合金の剛性率をＧ（φ）とすれば、ω（φｌ＝
　（３２ｒＰ／π）　・（１／Δφ’・（ｄφ））・・
・・−・・・・・・・−・・−・−・−・・・・−・−
・−・（４）となる。したがって第３図、第４図のよう
に操作ばね１，１０のたわみを６０に保持した際に発生
する荷重Ｐは（３１，（４１弐より、次式のようになる
。

−・・・−−一−−−−−−・・−・−・−・・−・−
・−一−・−・−（５）次に形状記憶合金の形状回復に
ＮｉＴｉ合金のＲ相（ロンボヘドラル相）変態を利用す
るとして、前式における形状記憶合金の剛性率Ｇ（φ）
が第７図のように変態点温度Ｔｍを境にＧＬからＧ、Ｌ
に急激変化するものと仮定して操作ばねの発生荷重Ｐを
考える。第３図、第４図において操作ばね１．１０の温
度が形状記憶合金の変態点温度よりも十分低い状態から
、パルス幅変調方式によるパルス幅／周期、つまりデユ
ーティ比を上げるように電流供給装置６で通電制御する
と、まずコイル線径が一定である第３図の操作ばね１で
は、その温度分布が第６図の（イ）線のように操作ばね
のコイル全長域で一様になることから発生荷重Ｐとデユ
ーティ比との関係は（５）式より第８図のようになる。

すなわち第７図のように変態点温度Ｔｍ以下ではＧ（φ
）−Ｇ、であったのが、変態点温度Ｔｌｌまで加熱昇温
されると同時に操作ばね１のコイル全長域に亙りＧ（φ
１＝Ｇｎとなることから、第８図においてデユーティ比
がある値に上昇すると発生荷重ＰはＰＬからＰＨへステ
ップ的に上昇変化することになる。

つまり第３図の操作ばね１を用いた従来のアクチュエー
タでは先記したようにオン、オフ動作は可能であるが発
生荷重を連続的に制御する比例動作形アクチュエータへ
の適用には不向きであることが判る。

これに対して第４図に示した操作ばね１０では、第６図
の（ロ）線のようにコイル全長域での温度分布が一様で
なく連続的に変化することになるので、その時の発生荷
重Ｐとデユーティ比との関係は（５）式より第９図で表
すようになる。すなわち通電量のデユーティ比を徐々に
上げていくと、操作ばね１０のコイル線全長域に亙って
剛性率Ｇ（φｌ”ＧＬ。

したがって発生荷重Ｐ＝ＰＬである状態から、まず操作
ばね１０における抵抗の大きい線径ｄ２の細い領域が抵
抗の小さな線径の太い領域よりも先に変態点温度を超え
てＧ（φｌ＝Ｇイとなり、操作ばね１０の発生荷重Ｐは
局部的に上昇する。続いて通電電流のデユーティ比をさ
らに高めてゆくと変態点温度を超える領域が次第に増大
し、これに伴って操作ばね１０全体での発生荷重Ｐは次
第に上昇するようになる。そして操作ばね１０のコイル
線全長域が変態点温度まで上昇すると全体の剛性率がＧ
（φ）＝Ｇｌｌに高まり、発生荷重はＰ−Ｐイとなる。

つまり発生荷重は操作ばねｌのようにステップ的に変化
せず、通電電流のデユーティ比に対応して連続的に変化
するようになる。

これにより第４図の操作ばね１０を用いた第１図のアク
チュエータでは、操作ばね１０に流す電流をパルス幅変
調方式で適宜に制御することにより、その通電量に対応
して形状記憶合金製操作ばね１０の形状回復領域が部分
的に変化し、操作ばね全体としての発生荷重を精度よく
連続的にコントロールすることができるようになる。つ
まり第１図のようにバイアスばね２と組合せることによ
り、位置制御、荷重制御に対して連続的に精度よ（比例
動作制御が行えることが判る。

なお前記実施例では操作ばね１０をコイル線径が連続的
変化するものを示したが、コイル線径をその長手方向に
沿って段階的に変化させるようにしてもほぼ同等な効果
を奏することができる。また第１図の実施例において、
バイアスばね２を通常のばね材から形状記憶合金製のば
ねに置き換えてその通電を操作ばね１と逆向きに制御す
ることにより、矢印Ａの二方向での比例動作制御を行わ
せることが可能となる。

次に第２図に本発明の異なる実施例のアクチュエータを
示す。この実施例は固定アーム７１の先端に枢軸部７２
を介して可動アーム７３を連結したアーム機構７におい
て、その可動アーム７３を矢印Ｂ方向に回動操作させる
回転アーム型アクチエエータである。ここで固定アーム
７１から枢軸部７２に設けたプーリ７４を経て可動アー
ム７３に至る全長域の背面側にはその線径が漸次増大す
る形状記憶合金製のワイヤ状操作ばね８が張架されおり
、前記操作ばね８と反対側には固定アーム７１と可動ア
ーム７３との間にまたがって先記実施例と同様にそのコ
イル線径が連続ないし段階的に変化する形状記憶合金製
のコイル状操作ばね９が斜めに架設されている。また各
操作ばね８，９は個々に電流供給装置６より直接通電を
受けて加熱制御される。

かかる構成で図示状態から操作ばね８を通電加熱して形
状回復させることにより、そ゛の通電量に対応して可動
アーム７３は反時計方向に回転動作する。逆に操作ばね
９を通電加熱すれば可動アーム７３は時計方向に回転動
作する。しかもこの動作の際に操作ばね８．９に流す電
流量を適宜制御することによりその回転角を連続的に精
度よく制御することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明によれば、形状記憶合金を操
作ばねとして用い、該操作ばねへの直接通電加熱による
形状記憶合金の形状回復力を操作力として所要動作の制
御を行うアクチュエータにおいて、前記操作ばねの全長
域に亙り形状記憶合金の電気抵抗値分布を連続ないし段
階的に変化させ、通電量に対応して変化する操作力を得
るよう構成したことにより、従来のアクチュエータで成
し得なかった比例動作型アクチュエータとして精度よく
位置制御、荷重制御を行わせることができ、その用途拡
大化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はそれぞれ本発明の異なる実施例を示す
往復動型、アーム回転型アクチュエータの構成図、第３
図、第４図、第５図は動作説明用として表したコイル線
径一定、およびコイル線径が連続的に変化する形状記憶
合金製の操作ばねの側面図、および部分正面図、第６図
は第３図、第４図に対応する操作ばねのコイル線全長に
亙る電気抵抗、温度の分布図、第７図は形状記憶合金の
剛性率と温度との関係図、第８図、第９図はそれぞれ第
３図、第４図に対応する操作ばねの発生荷重と通電電流
デユーティ比との関係図、第１０図は従来における代表
的なアクチュエータの構成図、第１１図、第１２図はそ
れぞれ第１０図における形状記憶合金製操作ばねの荷重
、たわみと温度との関係図である。各図において、 １．８．９．ｉｏ：形状記憶合金製の操作ばね、２：バ
イアスばね、３：葆イトロンド、５：電極板、第１図 第２図 第５図 第６図　　　　　　　第７図 第８図　　　　　　　第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）形状記憶合金を操作ばねとして用い、該操作ばねへ
   の直接通電加熱による形状記憶合金の形状回復力を操作
   力として所要動作の制御を行うアクチュエータにおいて
   、前記操作ばねの全長域に亙り形状記憶合金の電気抵抗
   値分布を連続ないし段階的に変化させ、通電量に対応し
   て変化する操作力を得るようにしたことを特徴とするア
   クチュエータ。 ２）特許請求の範囲第１項記載のアクチュエータにおい
   て、操作ばねの断面積がその長手方向に沿って連続ない
   し段階的に変化していることを特徴とするアクチュエー
   タ。