JPH01252181A - 形状記憶合金駆動回路 - 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〕 本発明は、形状記憶合金に電流を流してジュール熱によ
り該形状記憶合金を加熱することにより該形状記憶合金
を駆動する形状記憶合金駆動回路に関する。

〔従来の技術〕

従来の形状記憶合金駆動回路は、電源から形状記憶合金
に直接電流を流す構成となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

したがって、電池や通常使用される比較的小型の電源回
路等の大電流を流せない電源を使用した場合には、当然
、形状記憶合金にも大電流を流すことができなかった。

そして、このように大電流を流すことができない従来の
駆動回路を用いると、（ａ）形状記憶合金が過熱され、
形状記憶合金が記憶形状（形状記憶合金が線材の場合は
記憶長さ）を失ったり、破断したりしやすい。

（ｂ）加熱−冷却のサイクルを繰り返した場合、すぐに
形状記憶合金の永久変形が大きくなってしまうとともに
、形状記憶合金の動作範囲が小さくなってしまう傾向が
あり、形状記憶合金の動作寿命が短くなる。

（ｃ）エネルギ効率が悪い。

（ｄ）銅系等の電気抵抗率の小さい形状記憶合金は、こ
れらの形状記憶合金を十分に加熱できるだけの大きさの
電流を流せないので、駆動できない。また、Ｔ１Ｎｉ系
等の比較的に電気抵抗率の高い形状記憶合金でも、長さ
が非常に短い場合等、形状および寸法的な理由により全
体としての電気抵抗が小さい場合には駆動できない。

（ｅ）応答性が良くない。

（ｆ）回路が故障した場合に形状記憶合金に電流が流れ
放しになり、形状記憶合金が過熱される虞がある。

（ｇ）定電流化が困難である。

等の問題があった。

本発明の目的は、電池や通常使用される比較的小型の電
源回路等の大電流を流すことのできない電源を用いても
前記従来の問題点を解決することができるとともに、低
電圧用の形状記憶合金を比較的に高電圧の電源で駆動す
ることができる形状記憶合金駆動回路を提供することに
ある。

〔発明の理論的考察〕

本発明の形状記憶合金駆動回路は、本発明者が鋭意研究
の結果、形状記憶合金の通電加熱について始めて見い出
した次の事実に鑑みて構成されたものである。

すなわち、本発明者は、形状記憶合金を通電加熱で駆動
する場合は、 （Ｉ）大電流で、 （ｎ）ある程度以上周波数が高く（例えば、Ｔ１Ｎｉ形
状記憶合金の一つの例では、ＩＫＨｚ以上）、 （ＩＩＩ）デユーティ−比がある程度以上小さい（例え
ば、前記Ｔ１Ｎｉ形状記憶合金の場合、５：１〜１０：
１以下）、 パルス電流を用いると、形状記憶合金が過熱される虞が
少なくなり、過熱−冷却が繰り返された場合の形状記憶
合金の永久変形の発生や動作範囲の減少が少なくなり、
動作寿命が長くなるとともに、応答性およびエネルギ効
率が良くなるという事実を見い出した。

この理由は未だ必ずしも明確ではないが、本発明者はい
まところ次のように推測している。

形状記憶合金が加熱され、変態（マルテンサイト相から
母相への変態）が開始されたとき、その変態界面（マル
テンサイト相と母相との界面）は原子配置が乱れた状態
にあり、他の部分に比べて電気抵抗が高い状態にある。

したがって、変態界面においてジュール熱の発生が最も
大きくなる。

そして、変態界面に発生した熱は、変態界面−周辺の原
子−形状記憶合金の表面−空気の経路で拡散するが、大
電流が形状記憶合金に流された場合には、変態界面が非
常に急速に加熱されるのに対し、上述の熱拡散に要する
時間は長いので、前記変態界面の加熱は断熱的に行われ
、変態界面が選択的に加熱されることになる。

また、一般に、形状記憶合金は、その回復ひずみと温度
との関係についてみた場合、第５図のように加熱時と冷
却時とでヒステリシスを示す（同図において曲線Ｍは加
熱時、曲線Ｎは冷却時の回復ひずみと温度との関係を示
す）。したがって、パルス電流の周波数をある程度以上
高くし、かつデユーティ−比をある程度以上小さくすれ
ば、例えば１つのパルスのオン期間終了までに形状記憶
合金が第５図の点Ｐにまで加熱されたとすると、次に加
熱が中断されるパルスのオフ期間終了時の形状記憶合金
の状態を示す点Ｑを加熱曲線Ｍと冷却曲線Ｎとの間の範
囲内に留めることができる（ここで、線ＰＱはパルスの
オフ期間における形状記憶合金の状態の遷移経路を示す
）。

そして、このことは、加熱が中断されるパルスのオフ期
間の間、母相からマルテンサイトへの逆戻りによる潜熱
の放出を防止でき、それにより、前述のようにパルスの
オン期間中において生じさせた″変態界面が選択的に加
熱されている状態（変態界面の温度が他の部分の温度に
比べて著しく高くなっている熱的に不均衡な状態）”を
パルスのオフ期間の間も維持できることを意味する。

以上のことから、前記（Ｉ）、　　（ｎ）、　　（ＩＩ
Ｉ）の条件を満たすパルスを形状記憶合金に流すと、パ
ルス電流を通電中、継続的に変態界面を選択的に加熱す
ることができることになる。そして実際に、このような
パルス通電加熱を行うと、形状記憶合金が形状回復を示
しているのにも関わらず、該形状記憶合金の表面の温度
は殆ど上昇しないという現象が見られる（なお、上述の
ように変態界面を選択的に加熱するに必要なパルスの周
波数およびデユーティ−比は形状記憶合金の熱伝導率に
よって変ってくる）。

そして、このように形状記憶合金全体ではなく、変態界
面を選択的に加熱することにより、エネルギ効率が良く
なるとともに、応答性が良くなると考えられる。また、
全体としての入熱量は小さく押えることができるので、
形状記憶合金の過熱が防止され、形状記憶合金の永久変
形の発生や動作範囲の減少が少なくなり、動作寿命が長
くなると考えられる。

しかるに、従来のように連続電流で加熱したり、電流の
大きさが十分でないパルス電流で加熱した場合は、変態
界面の加熱速度が遅くなるため、前記熱拡散により形状
記憶合金全体が加熱されることになり、エネルギ効率が
悪くなるとともに、形状記憶合金が過熱されやすくなり
、形状記憶合金に永久変形が生じたり、形状記憶合金の
動作範囲が小さくなったりして、形状記憶合金の動作寿
命が短くなってしまうものと考えられる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による形状記憶合金駆動回路は、電源と、この電
源によって充電される駆動エネルギ蓄積コンデンサと、
前記コンデンサを間欠的に放電させ、この放電電流を形
状記憶合金に流すスイッチング手段とを有してなるもの
である。

〔作用〕

本発明においては、駆動エネルギ蓄積コンデンサを間欠
的に放電し、この放電電流を形状記憶合金に流すことに
より、形状記憶合金にパルス電流を流すことができる。

そして、この場合、電源から直接形状記憶合金に電流を
流すのではなく、−旦電源により駆動エネルギ蓄積コン
デンサを充電した上、該コンデンサを放電させることに
より形状記憶合金に電流を流すので、電源の如何に関わ
らず、大電流のパルスを形状記憶合金に流すことができ
る。また、前記コンデンサの放電周期および容量等を適
正に設定することにより、前記パルス電流の周波数を必
要なだけ高くするとともにデユーティ−比を必要なだけ
小さくすることができる。したがって、前記（１）、（
ｎ）、（ｍ）の条件を満たすパルスを形状記憶合金に流
すことができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す。この実施例において
、１はパルスＢを出力するパルスジェネレータであり、
イネーブル信号ＡによってパルスＢを出力するか否かを
制御される。このパルスジェネレータ１としては、例え
ば、タイマーＩＣ。

ＲＯＭ、　ミュージックＩＣ，無安定マルチバイブレー
ク等を利用することができる。第２図にパルスＢの波形
例を示す。２はスイッチング部であり、２つのトランジ
スタ３．４およびこれらのトランジスタ３．４を保護す
るためのダイオード５とから構成されている。

前記トランジスタ３のベースは直流除去部６を介してパ
ルスジェネレータ１の出力端子に接続されている。なお
、本実施例では、前記直流除去部６はカップリングコン
デンサ７により構成されている。前記トランジスタ３の
コレクタはトランジスタ４のコレクタに、トランジスタ
３のエミッタはトランジスタ４のベースに、ダイオード
５のカソードはトランジスタ３のベースにそれぞれ接続
されている。また、トランジスタ４のエミッタおよびダ
イオード５のアノードはそれぞれ接地されている。

前記トランジスタ３および４のコレクタは形状記憶合金
８の一端に接続され、この形状記憶合金８の他端は電流
制限部９を介して乾電池１１の陽極に接続されている。

なお、本実施例では、前記電流制限部９はヒユーズ１０
により構成されているが、この電流制限部９は電流を一
定以下に制限する機能を持っていればよく、遮断器、大
きな抵抗、あるいはＦＥＴ等による定電流回路等によっ
て構成してもよい（第３図はＦＥＴによる定電流回路の
例であり、１３はＦＥＴを示す）。また、電源として積
層乾電池等の内部抵抗が特に大きい電源を用いる場合に
は、その内部抵抗自体を電流制限部として用いることが
できる。前記乾電池１１の陰極は接地されている。また
、前記形状記憶合金８と電流制限部９との接続点は駆動
エネルギ蓄積コンデンサ１２の一端に接続され、このコ
ンデンサ１２の他端は接地されている。

次に、この実施例の動作を説明する。

パルスジェネレータ１からパルスＢが出力されると、こ
のパルスＢから直流除去部６により直流分が除去される
とともにダイオード５により負電圧が除去されることよ
り、スイッチング部２の制御人力（トランジスタ３のベ
ース）には第２図のようにパルスＡの立ち上りに対応し
て生起する幅の狭いパルスＣが入力されることになる。

そして、このパルスＣ毎にスイッチング部２（トランジ
スタ３および４）が一定時間オンする。

ところで、スイッチング部２がオフの間は、コンデンサ
１２が乾電池１１により充電される。しかし、スイッチ
ング部２が上述のようにオンすると、コンデンサ１２が
放電し、コンデンサ１２から形状記憶合金８に電流が流
れる。この結果、形状記憶合金８には、パルスＢの立ち
上りに対応して生起するパルス電流が流されることにな
る。

ここにおいて、本回路では、乾電池１１から直接形状記
憶合金８に電流を流すのではなく、−旦乾電池１１によ
りコンデンサ１２を充電した上、該コンデンサ１２を放
電させることにより形状記憶合金８に電流を流すので、
乾電池１１を使用しているにも関わらず、大電流のパル
スを形状記憶合金８に流すことができる。

言い換えれば、本回路は、形状記憶合金８について、加
熱に適するようにインピーダンス変換を行うことになる
。すなわち、形状記憶合金８の実際の抵抗値がどうであ
ろうと、第１図のＸ−Ｘ線以下の部分が加熱に必要なワ
ット数に応じた大きな抵抗を持っているものとみたてる
ことができるのである。

また、本回路によれば、スイッチング部２がオンする周
期およびコンデンサ１２の容量等を適正に設定すること
により、形状記憶合金８に流すパルス電流の周波数を必
要なだけ高くするとともに、デユーティ−比を必要なだ
け小さくすることができる。したがって、容易に前記（
１）、　　（Ｕ）。

（ＩＩ［）の条件を満たすパルスを形状記憶合金８に流
すことができる。

この結果、前述のように形状記憶合金８が過熱される虞
が少なくなり、形状記憶合金８の永久変形の発生や動作
範囲の減少が少なくなり、動作寿命が長くなるとともに
、応答性およびエネルギ効率が良くなる。

また、従来通電加熱が不可能であった銅系等の電気抵抗
率の小さい形状記憶合金や、Ｔ１Ｎｉ系形状記憶合金等
のように材料の電気抵抗率自体は比較的に高くても長さ
が非常に短い等の形状および寸法的な理由により全体と
しての電気抵抗が小さい形状記憶合金素子にも、充分な
大きさの電流を流してこれらを駆動できる。

また、本回路では、低電圧用の形状記憶合金を比較的に
高電圧の電源で駆動できる。

また、本実施例のようにパルスジェネレータ１とスイッ
チング部２との間に直流除去部６を介装すれば、万一パ
ルスジェネレータ１が故障し、該ジェネレータ１の出力
がハイやロウになったままになっても、スイッチング部
２がオフ状態になり、形状記憶合金８には電流が流れな
いので、安全である。

また、スイッチング部２が故障してオンになりっ放しに
なっても、コンデンサ１２が放電し終った後は、電流制
限部９によって形状記憶合金８に流れる電流は制限され
るので、安全である。

また、駆動エネルギ蓄積コンデンサ１２が完全に充放電
するように回路を設定すれば、該コンデンサ１２の容量
によって定まる定電力で形状記憶合金を加熱することが
でき、形状記憶合金８に与える熱量を一定の最適値に維
持することができる。

さらに、本回路は、電流制限部９を定電流回路で構成す
れば、簡単に定電流化することができ、このように定電
流化した場合には、次のような利点が得られる。すなわ
ち、伸び変形を与えられた形状記憶合金の線材を通電加
熱して形状回復力を取り出すような装置の場合、形状記
憶合金の線材が形状回復により収縮して断面積が大きく
なるにつれて電流密度が減少するため、加熱が押えられ
、形状記憶合金が過熱される虞をより完全に防止するこ
とができる。

また、上述のようにして定電流化した場合、前記インピ
ーダンス変換作用により、非常に損失の少ない定電流化
回路を構成することができる。

第４図は本発明による形状記憶合金駆動回路の他の実施
例を示し、形状記憶合金を電源から実質的に完全に切り
離した例である。

本実施例において、乾電池１１の陰極は接地され、陽極
は前記実施例の場合と同様の電流制限部９の一端に接続
されている。電流制限部９の他端は第一のスイッチング
部２１の一端に、該第−のスイッチング部２１の他端は
第二のスイッチング部２２の一端にそれぞれ接続されて
おり、第二のスイッチング部２２の他端は接地されてい
る。前記第一のスイッチング部２１の制御入力はパルス
ジェネレータ１の出力に直接接続される一方、第二のス
イッチング部２２の制御入力はインバータ２３を介して
パルスジェネレータ１の出力に接続されている。ここで
は、本実施例におけるパルスジェネレータ１も、第２図
に示したような波形のパルスＢを出力するものとする。

前記電流制限部９と第一のスイッチング部２１との接続
点には第一の駆動エネルギ蓄積コンデンサ２４の一端が
接続されており、このコンデンサ２４の他端は接地され
ている。前記第一のスイッチング部２１と第二のスイッ
チング部２２との接続点は第二の駆動エネルギ蓄積コン
デンサ２５を介して形状記憶合金８の一端に接続されて
おり、この形状記憶合金８の他端は接地されている。

次に、本実施例の動作を説明する。

パルスジェネレータから出力されるパルスＢがハイの状
態からロウになると、第一のスイッチング部２１がオフ
する一方、第二のスイッチング部２２がオンする。これ
により、第一の駆動エネルギ蓄積コンデンサ２４が乾電
池１１により充電されるとともに、それまで充電されて
いた第二の駆動エネルギ蓄積コンデンサ２５が放電し、
形状記憶合金８に電流が流れる。　゛ 次に、パルスＢがハイになると、第一のスイッチング部
２１がオンする一方、第二のスイッチング部２２がオフ
する。これにより、コンデンサ２４が放電し、第二の駆
動エネルギ蓄積コンデンサ２５が充電されると同時に形
状記憶合金８に電流が流れる。

昼下、同様の動作が繰り返されることにより、形状記憶
合金８には、パルスＢの立ち上がりおよび立ち下がりに
毎にパルスが生起するパルス電流が流されることになる
。

本実施例においても、乾電池１１から直接形状記憶合金
８に電流が流されるのではなく、コンデンサ２４．２５
から形状記憶合金８に電流が流される構成となっている
ため、形状記憶合金８に大電流を流すことができ、前記
実施例と同様の効果を得ることができる。言い換えれば
、本実施例においても、形状記憶合金８の実際の抵抗値
がどうであろうと、第４図のＸ−Ｘ線以下の部分が加熱
に必要なワット数に応じた大きな抵抗を持っているもの
とみたてることができる。

また、形状記憶合金８は、直流的には、乾電池９から完
全に切り離されているため、故障時に乾電池１１から形
状記憶合金８に電流が流れて形状記憶合金８が過熱され
るのをより完全に防止できる。

なお、前記各実施例では乾電池を電源としているが、本
発明においては、他の種の電源を使用することもできる
ことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように本発明による形状記憶合金駆動回路は、 （ｉ）電池や通常使用される比較的小型の電源回路等の
大電流を流すことのできない電源を用いても、大電流の
パルスを得ることができ、前記（Ｉ）、　　（ｎ）、　
　（ＩＩｌ［）の条件を満たすパルス電流を形状記憶合
金に流すことができる。

（ｉｉ　）前記（ｉ）項に述べたことから、形状記憶合
金が過熱されにくくなるため、形状記憶合金が記憶形状
（形状記憶合金が線材の場合は記憶長さ）を失ったり、
破断したりしにくくなる。

（ｉｉｉ　）前記（ｉ）項に述々たことから、加熱−冷
却のサイクルを繰り返した場合、形状記憶合金の永久変
形の発生や動作範囲の減少が少なくなり、形状記憶合金
の動作寿命を長くすることができる。

（ｉＶ　）前記（ｉ）項に述べたことから、エネルギ効
率が良くなる。

（Ｖ）前記（ｉ）項に述べたことから、従来通電加熱が
不可能であった銅系等の電気抵抗率の小さい形状記憶合
金や、Ｔ１Ｎｉ系形状記憶合金等のように電気抵抗率自
体は比較的に高くても長さが非常に短い等の形状および
寸法的な理由により全体としての電気抵抗が小さい形状
記憶合金素子にも、充分な大きさの電流を流してこれら
を駆動できる。

（Ｖｉ　）前記（ｉ）項に述べたことから、応答性が良
くなる。

（Ｖｉｉ　）回路が故障した場合に形状記憶合金に電流
が流れ放しになり、形状記憶合金が過熱される虞がない
。

（Ｖｉ）定電流化が容易である。

（１×）低電圧用の形状記憶合金を比較的に高電圧の電
源で駆動することができる。

等の優れた効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による形状記憶合金駆動回路の一実施例
を示す回路構成図、第２図は該実施例におけるパルスの
波形およびスイッチング部のオン、オフ状態を示す図、
第３図は電流制限部の他の実施例を示す回路構成図、第
４図は本発明による形状記憶合金駆動回路の他の実施例
を示す回路構成図、第５図は形状記憶合金の回復ひずみ
と温度との関係の一例を示す特性図である。 １・・・パルスジェネレータ、２・・・スイッチング部
、８・・・形状記憶合金、９・・・電流制限部、１１・
・・乾電池、１２・・・駆動エネルギ蓄積用コンデンサ
、２１・・・第一のスイッチング部、２２・・・第二の
スイッチング部、２４・・・第一の駆動エネルギ蓄積用
コンデンサ、２５・・・第二の駆動エネルギ蓄積用コン
デンサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電源と、この電源によって充電される駆動エネルギ
   蓄積コンデンサと、前記コンデンサを間欠的に放電させ
   、この放電電流を形状記憶合金に流すスイッチング手段
   とを有してなる形状記憶合金駆動回路。 ２、電源から流れる電流の大きさを制限する電流制限手
   段を有してなる請求項１記載の形状記憶合金駆動回路。 ３、電流制限手段はヒューズである請求項２記載の形状
   記憶合金駆動回路。 ４、電流制限手段は遮断器である請求項２記載の形状記
   憶合金駆動回路。 ５、電流制限手段は大きな抵抗である請求項２記載の形
   状記憶合金駆動回路。 ６、電流制限手段は定電流回路である請求項２記載の形
   状記憶合金駆動回路。 ７、電流制限手段は電源の内部抵抗である請求項２記載
   の形状記憶合金駆動回路。 ８、電源によって充電される第一の駆動エネルギ蓄積コ
   ンデンサと、この第一の駆動エネルギ蓄積コンデンサの
   両端間に互いに直列に接続された第一のスイッチング手
   段、および第二の駆動エネルギ蓄積コンデンサと形状記
   憶合金との直列回路と、前記第二の駆動エネルギ蓄積コ
   ンデンサと前記形状記憶合金との直列回路の両端間に接
   続された第二のスイッチング手段とを有し、 前記第一および第二のスイッチング手段は交互に開閉さ
   れる請求項１、２、３、４、５、６または７記載の形状
   記憶合金駆動回路。