JPH0580590B2 - - Google Patents

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JPH0580590B2
JPH0580590B2 JP60018741A JP1874185A JPH0580590B2 JP H0580590 B2 JPH0580590 B2 JP H0580590B2 JP 60018741 A JP60018741 A JP 60018741A JP 1874185 A JP1874185 A JP 1874185A JP H0580590 B2 JPH0580590 B2 JP H0580590B2
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shape memory
memory alloy
spring
displacement
force
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、形状記憶合金を駆動源とする形状記
憶合金アクチユエータに係り、特に回転力を発生
させる形状記憶合金アクチユエータに関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a shape memory alloy actuator using a shape memory alloy as a driving source, and more particularly to a shape memory alloy actuator that generates rotational force.

従来の技術 第11図は、従来の形状記憶合金アクチユエー
タの一例を示す。このアクチユエータはTi−Ni
(50−50at%)合金からなるコイル状に巻かれた
線状の形状記憶合金1と、引つ張りコイルバネか
らなるバイアス・バネ2とを有してなり、前記形
状記憶合金1は、収縮した形状を記憶している。
前記形状記憶合金1およびバイアス・バネ2の一
端は互いに結合されており(符号3はその結合点
を示す)、またこれらの形状記憶合金1およびバ
イアス・バネ2の他端はそれぞれ固定部材4に固
定されている。
Prior Art FIG. 11 shows an example of a conventional shape memory alloy actuator. This actuator is Ti-Ni
(50-50 at%) alloy, and has a linear shape memory alloy 1 wound into a coil, and a bias spring 2, which is a tension coil spring. Remembers the shape.
One ends of the shape memory alloy 1 and the bias spring 2 are connected to each other (numeral 3 indicates the connection point), and the other ends of the shape memory alloy 1 and the bias spring 2 are respectively connected to the fixing member 4. Fixed.

この従来の形状記憶合金アクチユエータにおい
ては、形状記憶合金1が低温の状態では、バイア
ス・バネ2の収縮力によつて該合金1は伸長した
状態に変形される。したがつて、形状記憶合金1
とバネ2との結合点3は、図上右方に移動されて
いる。しかし、形状記憶合金1がある温度以上に
加熱されると、該合金1は形状記憶効果により記
憶形状に戻ろうとして、バネ2に抗して収縮する
ので、結合点3は図上左方に移動する。
In this conventional shape memory alloy actuator, when the shape memory alloy 1 is at a low temperature, the contraction force of the bias spring 2 deforms the alloy 1 into an elongated state. Therefore, shape memory alloy 1
The connection point 3 between the spring 2 and the spring 2 has been moved to the right in the figure. However, when the shape memory alloy 1 is heated above a certain temperature, the alloy 1 tries to return to its memorized shape due to the shape memory effect and contracts against the spring 2, so the bonding point 3 moves to the left in the figure. Moving.

発明が解決しようとする問題点 次に、前記従来の形状記憶合金アクチユエータ
の動作をさらに詳しくみてみる。第12図は、前
記形状記憶合金1の回復および変形時の負荷−変
位線図の一例を示したものである。この図におい
て、実線は形状記憶合金1の形状回復時の負荷と
変位との関係、破線は形状記憶合金1の変形時の
負荷と変位との関係をそれぞれ示している。この
図から分るように、変形の全範囲において回復力
の方が変形に要する力を上回つている。
Problems to be Solved by the Invention Next, the operation of the conventional shape memory alloy actuator will be examined in more detail. FIG. 12 shows an example of a load-displacement diagram during recovery and deformation of the shape memory alloy 1. In this figure, the solid line shows the relationship between load and displacement when the shape memory alloy 1 recovers its shape, and the broken line shows the relationship between the load and displacement when the shape memory alloy 1 deforms. As can be seen from this figure, the restoring force exceeds the force required for deformation over the entire range of deformation.

そして、前記バイアス・バネ2の負荷−変位線
図は、第12図中において一点鎖線で示される。
すなわち、バネ2の変位零の点をOs、バネ2の
バネ定数をKとすると、バネ2の負荷−変位線は
点Osを通る傾きKの直線となる。
The load-displacement diagram of the bias spring 2 is shown by a dashed line in FIG.
That is, if the point of zero displacement of the spring 2 is O s and the spring constant of the spring 2 is K, then the load-displacement line of the spring 2 becomes a straight line with an inclination K passing through the point O s .

形状記憶合金1は低温のマルテンサイト相のと
き、バネ2の力Fsによつて原点O(形状記憶合金
1の変位が零の点)から点C1まで変形を受ける。
この点C1はバネ2の力Fsと形状記憶合金1を変
形させるに要する力Fdとが釣り合う点であり、
第12図中では、これより左側はバネ2の力Fs
方が形状記憶合金1を変形させるに要する力Fd
を上回る領域である。
When the shape memory alloy 1 is in the low-temperature martensitic phase, it is deformed from the origin O (the point where the displacement of the shape memory alloy 1 is zero) to the point C1 by the force Fs of the spring 2.
This point C 1 is the point where the force F s of the spring 2 and the force F d required to deform the shape memory alloy 1 are balanced,
In Fig. 12, on the left side, the force F s of the spring 2 is greater than the force F d required to deform the shape memory alloy 1.
This is an area that exceeds the above.

また、このような状態から形状記憶合金1が加
熱され、高温の母相状態になると、理想的には、
変形に要した力Fdをはるかに越えて点C2に至る
形状回復力Frが発生し、形状記憶合金1はバネ2
に抗してその変位xを減少して行く。そして、形
状回復力Frとバネ2のバイアス力Fsとが平衡する
点C3まで形状が回復する(なお、形状回復力Fr
は形状記憶合金1の変位xが減少するにつれ小さ
くなつて行く)。このような加熱回復状態で外部
に取り出せる力Fphは、 Fph=Fr−Fs ……(1) となる。このFphの変化は第13図の実線の曲線
で示される。
Moreover, when the shape memory alloy 1 is heated from such a state to a high temperature matrix state, ideally,
A shape recovery force F r that far exceeds the force F d required for deformation and reaches point C 2 is generated, and shape memory alloy 1 becomes spring 2
, and its displacement x decreases. The shape is then recovered to a point C3 where the shape recovery force F r and the bias force F s of the spring 2 are balanced (note that the shape recovery force F r
becomes smaller as the displacement x of the shape memory alloy 1 decreases). The force F ph that can be taken out to the outside in such a heating recovery state is F ph = F r −F s (1). This change in F ph is shown by the solid curve in FIG.

この曲線から明らかなように、Fphの大きさは
変位xに依存し、点C1の変位X1において最大値、 Fph(nax)=Fr(X1)−Fs(X1) …(2) をとり、点C3の変位X3において最小値Fph(nio)
0となる。
As is clear from this curve, the magnitude of F ph depends on the displacement x, and has a maximum value at the displacement X 1 of point C 1 , F ph(nax) = F r (X 1 ) − F s (X 1 ) ...(2), the minimum value F ph(nio) = at the displacement X 3 of point C 3
It becomes 0.

次に、形状記憶合金1が冷却されると、形状回
復力を失うため、該合金1はバネ2のバイアス力
Fsによつて再び点C1まで変形される。したがつ
て、この冷却時に外部に取り出せる力Fpcは、 Fpc=Fs−Fd …(3) となる。このFpcの変化は第13図の破線の曲線
で示される。この曲線から明らかなように、点
C3における変位X3でこの力Fpcは最大値、 Fpc(nax)=Fr(X3)−Fd(X3) …(4) をとり、点C1における変位X1において最小値
Fpc(nio)=0となる。
Next, when the shape memory alloy 1 is cooled, it loses its shape recovery ability, so the alloy 1 is affected by the bias force of the spring 2.
It is deformed again to point C 1 by F s . Therefore, the force F pc that can be extracted to the outside during this cooling is F pc =F s −F d (3). This change in F pc is shown by the dashed curve in FIG. As is clear from this curve, the point
This force F pc takes the maximum value at the displacement X 3 at C 3 , F pc(nax) = F r (X 3 ) − F d (X 3 )...(4), and becomes the minimum at the displacement X 1 at the point C 1 . value
F pc(nio) = 0.

前記Fph(nax)およびFpc(nax)は、バネ2のバネ定
数Kが大きいほど大きくなる。
The F ph(nax) and F pc(nax) become larger as the spring constant K of the spring 2 becomes larger.

また、上述のような加熱−冷却を繰り返すと、
第11図のアクチユエータは、理想的には、第1
2図の点C1−C2−C3−C4−C1を通る運動のサイ
クルを繰り返すことになる。そして、これらの点
C1−C2−C3−C4−C1によつて囲まれる面積が1
回の運動サイクルで取り出されるエネルギQp
なる。また、外部に取り出せる最大変位Xnaxは、 Xnax=X1−X3 …(5) となり、原点Oにおけるバネ2の力Fs(0)を一
定とした場合、このXnaxはバネ2のバネ定数K
が小さいほど大きくなる。
Also, if the heating-cooling process described above is repeated,
Ideally, the actuator of FIG.
The cycle of motion passing through the points C 1 -C 2 -C 3 -C 4 -C 1 in Figure 2 will be repeated. And these points
The area surrounded by C 1 −C 2 −C 3 −C 4 −C 1 is 1
The energy extracted in one movement cycle is Q p . In addition , the maximum displacement X nax that can be taken out to the outside is X nax = X 1 Spring constant K
The smaller the value, the larger the value.

以上のことから分かるように、使用する形状記
憶合金1の無負荷状態で完全に回復可能な最大変
位がXR、そのときの回復力がFRであつたとして
も、実際に外部に取り出せる最大変位Xnaxおよ
び加熱時に実際に外部に取り出せる最大力
Fph(nax)はこれらに比べかなり小さな値となる。
また、前述のようにXnax、Fph(nax)およびFpc(nax)
は、バネ2のバネ定数Kやバネ2のOs点の設置
位置に大きく依存し、バネ定数KやOs点の設置
位置を変化させ、Xnaxが大きくなるようにする
と、Fph(nax)、Fpc(nax)が大幅に小さくなり、逆に
Fph(nax)、Fpc(nax)を大きくするようにすると、
Xnaxが大幅に小さくなり、かつ外部に取り出せ
る力(出力)Fph、Fpcの変動が大きくなる。
As can be seen from the above, even if the maximum displacement that can be completely recovered in the no-load state of the shape memory alloy 1 used is X R and the recovery force at that time is F R , the maximum displacement that can actually be taken out to the outside is Displacement X nax and maximum force that can actually be extracted to the outside during heating
F ph(nax) is a much smaller value than these.
Also, as mentioned above, X nax , F ph(nax) and F pc(nax)
depends largely on the spring constant K of spring 2 and the installation position of the O s point of spring 2. If the spring constant K and the installation position of the O s point are changed to increase X nax , F ph(nax ) , F pc(nax) becomes significantly smaller, and conversely
By increasing F ph(nax) and F pc(nax) ,
X nax becomes significantly smaller, and the fluctuations in the external forces (output) F ph and F pc become larger.

しかるに、ロボツト用のアクチユエータ等にお
いては、形状記憶合金の加熱回復時および冷却変
形時にある程度以上の大きさの力を外部に取り出
すことができ、かつ変位の範囲を広範囲とするこ
とができ、しかもこの広範囲の変位範囲において
取り出せる力の大きさの変動が少ないことが望ま
れる。
However, in actuators for robots, etc., it is possible to extract a certain amount of force to the outside during heating recovery and cooling deformation of the shape memory alloy, and the range of displacement can be widened. It is desirable that there be little variation in the magnitude of the force that can be extracted over a wide range of displacement.

発明の目的 本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
ので、形状記憶合金の加熱回復時および冷却変形
時にある程度以上の大きさのトルクを外部に取り
出すことができ、かつ変位の範囲を広範囲とする
ことができ、しかもこの広範囲の変位範囲におい
て取り出せるトルクの大きさの変動が少ない形状
記憶合金アクチユエータを提供することを目的と
する。
Purpose of the Invention The present invention has been made in view of the above circumstances, and is capable of extracting a certain amount of torque to the outside during heating recovery and cooling deformation of a shape memory alloy, and suppressing the range of displacement. It is an object of the present invention to provide a shape memory alloy actuator that can be used over a wide range of displacement and has little variation in the magnitude of torque that can be taken out over this wide range of displacement.

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アクチユエータは、
回転可能な巻き掛け部材と、少なくとも一部に形
状記憶合金からなる部分を有し、前記巻き掛け部
材に巻き掛けられるとともに、一部を前記巻き掛
け部材に対して固定された線状材と、前記巻き掛
け部材に所定方向のバイアス・トルクを作用する
ことにより前記巻き掛け部材を介して前記線状材
に引張り力を作用させるバイアス手段とを具備し
てなり、前記バイアス手段は、少なくとも所定範
囲内において、前記バイアス・トルク方向に関し
前記巻き掛け部材の回転角度が大きくなるほど前
記バイアス・トルクを小さくする特性を有するも
のである。
Means for Solving the Problems The shape memory alloy actuator according to the present invention has the following features:
a rotatable winding member; a wire member having at least a portion made of a shape memory alloy, being wound around the winding member and having a portion fixed to the winding member; bias means for applying a bias torque in a predetermined direction to the winding member to apply a tensile force to the wire material through the winding member; Among them, the bias torque is made smaller as the rotation angle of the wrapping member becomes larger in the bias torque direction.

作 用 本発明においては、前記バイアス手段が上述の
ような特性を有するため、例えば第1図の曲線
Tsで示されるように、少なくとも所定範囲内に
おいて、従来のアクチユエータの場合とは逆に、
形状記憶合金の伸び変形が小さくなるほど(すな
わち、形状回復が進むほど)、線状材に作用する
引張り力が小さくなる(なお、第1図において曲
線Trは形状記憶合金の形状回復時の負荷トルク
と変位との関係、曲線Tdは形状記憶合金1の変
形時の負荷トルクと変位との関係をそれぞれ示
す)。
Effect In the present invention, since the bias means has the above-mentioned characteristics, for example, the curve shown in FIG.
Contrary to the case of conventional actuators, at least within a certain range, as shown by T s ,
The smaller the elongation deformation of the shape memory alloy (that is, the more the shape recovery progresses), the smaller the tensile force acting on the wire material (in Fig. 1, the curve T r represents the load when the shape memory alloy recovers its shape). The relationship between torque and displacement, and the curve Td represents the relationship between load torque and displacement during deformation of shape memory alloy 1, respectively).

したがつて、第2図の曲線TphおよびTpcで示さ
れるように、形状記憶合金の加熱回復時および冷
却変形時にある程度以上の大きさのトルクを外部
に取り出すことができ、かつ変位の範囲を広範囲
とすることができ、しかもこの広範囲の変位範囲
において取り出せるトルクの大きさの変動が少な
く、例えばロボツトの肩の関節のアクチユエータ
等として使用するに好適である。
Therefore, as shown by the curves T ph and T pc in Fig. 2, a certain amount of torque can be extracted to the outside during heating recovery and cooling deformation of the shape memory alloy, and the displacement range is can be made over a wide range, and there is little variation in the magnitude of the torque that can be extracted over this wide displacement range, making it suitable for use as an actuator for a shoulder joint in a robot, for example.

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。
Embodiments Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.

第3図から7図までは、本発明の一実施例を示
す。この実施例において、箱状の本体5には、回
転軸6が回転可能に支持されており、この回転軸
6の先端部は本体5の外部に突出されている。前
記回転軸6には、第4図および5図に示されるよ
うに本体5の内部において、巻き掛け部材7が固
定されている。前記巻き掛け部材7は、扇形部7
aと、この扇形部7aから互いに平行に突出する
一対の腕部7bとを有してなる。
3 to 7 show one embodiment of the present invention. In this embodiment, a rotating shaft 6 is rotatably supported by the box-shaped main body 5, and the tip of the rotating shaft 6 projects outside of the main body 5. A wrapping member 7 is fixed to the rotating shaft 6 inside the main body 5, as shown in FIGS. 4 and 5. The wrapping member 7 has a fan-shaped portion 7
a, and a pair of arm portions 7b that protrude in parallel to each other from this fan-shaped portion 7a.

前記巻き掛け部材7の扇形部7aの円弧部7c
には、Ti−Ni合金からなる線状の形状記憶合金
8が巻き掛けられている。なお、前記巻き掛け部
材7の円弧部7cは回転軸6を中心とする円弧を
なしている。そして、この円弧部7cには、第7
図に示されるように、形状記憶合金8が巻き掛け
部材7から外れないようにするための溝部7dが
形成されている。また、前記形状記憶合金8は、
真直ぐで長さLの形状を記憶している(ただし、
本発明では、もつぱら形状記憶合金8の伸び変形
からの形状回復を利用して動作するので、形状記
憶合金8は曲つた形状を記憶していてもよい)。
The circular arc portion 7c of the fan-shaped portion 7a of the wrapping member 7
A linear shape memory alloy 8 made of a Ti-Ni alloy is wound around it. Note that the arc portion 7c of the wrapping member 7 forms an arc centered on the rotating shaft 6. This arc portion 7c has a seventh
As shown in the figure, a groove 7d is formed to prevent the shape memory alloy 8 from coming off the wrapping member 7. Moreover, the shape memory alloy 8 is
It memorizes a straight shape with length L (however,
In the present invention, the shape memory alloy 8 is operated by utilizing shape recovery from elongation deformation, so the shape memory alloy 8 may memorize a curved shape).

前記形状記憶合金8の一端は、巻き掛け部材7
に固定されており、他端は本体5に固定されてい
る。
One end of the shape memory alloy 8 is attached to a wrapping member 7
The other end is fixed to the main body 5.

前記一対の腕7bは、単に後述するバイアス・
バネ10と機械的な干渉を避けるために分離され
ているだけで、実質的には1本の腕として機能す
るものであり、これらの腕部7bの先端部間に
は、バネ支持棒9が取り付けられている。前記バ
ネ支持棒9には、引張りコイルバネからなるバイ
アス・バネ10の一端が取り付けられており、こ
のバネ10の他端部は点Qにおいて本体5に取り
付けられている。そして、前記バネ10は、巻き
掛け部材7を介して形状記憶合金8に引張り力を
作用している。
The pair of arms 7b are simply provided with a bias, which will be described later.
It is separated only to avoid mechanical interference with the spring 10, and essentially functions as one arm. Between the tips of these arms 7b is a spring support rod 9. attached. One end of a bias spring 10 made of a tension coil spring is attached to the spring support rod 9, and the other end of this spring 10 is attached to the main body 5 at a point Q. The spring 10 exerts a tensile force on the shape memory alloy 8 via the wrapping member 7.

次に、本実施例の作動を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be explained.

形状記憶合金8は、バイアス・バネ10の収縮
力によつて引張られているので、該合金8が低温
の状態では伸び変位を受ける。したがつて、巻き
掛け部材7は第5図のように図上時計方向に回転
されている。しかし、形状記憶合金8がある温度
以上に加熱されると(このような加熱は、例えば
該合金8の両端間に通電を行うことにより実現で
きる)、該合金8は形状記憶効果により記憶形状
の長さLに戻ろうとして、バネ10に抗して収縮
するので、巻き掛け部材7および回転軸6は反時
計方向に回転する。
Since the shape memory alloy 8 is stretched by the contraction force of the bias spring 10, the alloy 8 undergoes an elongation displacement when the alloy 8 is at a low temperature. Therefore, the winding member 7 is rotated clockwise in the figure as shown in FIG. However, when the shape memory alloy 8 is heated to a certain temperature or higher (such heating can be achieved, for example, by applying electricity between both ends of the alloy 8), the alloy 8 retains its memorized shape due to the shape memory effect. Since it contracts against the spring 10 in an attempt to return to the length L, the wrapping member 7 and the rotating shaft 6 rotate counterclockwise.

また、前記加熱が停止されると、形状記憶合金
8は形状回復力を失うので、再びバネ10の力に
より形状記憶合金8は伸び変形を受け、巻き掛け
部材7および回転軸6は時計方向に回転する。
Moreover, when the heating is stopped, the shape memory alloy 8 loses its shape recovery force, so the shape memory alloy 8 is again subjected to elongation deformation by the force of the spring 10, and the wrapping member 7 and the rotating shaft 6 are moved clockwise. Rotate.

次に、本実施例の動作をさらに詳しく説明みて
みる。巻き掛け部材7の円弧部7cの半径をRと
すると、回転軸6がθ回転したとき、形状記憶合
金8の全長の伸びxは、ほぼ x=R・θ …(6) となる(ただし、ここで、形状記憶合金8が記憶
形状の長さLとなつている場合をθ=0とし、か
つ形状記憶合金8が伸び変形を受ける回転の向
き、すなわち図上時計方向の回転を正方向とす
る)。
Next, the operation of this embodiment will be explained in more detail. Assuming that the radius of the circular arc portion 7c of the wrapping member 7 is R, when the rotating shaft 6 rotates θ, the elongation x of the total length of the shape memory alloy 8 is approximately x=R・θ (6) (however, Here, the case where the shape memory alloy 8 has the length L of the memorized shape is assumed to be θ=0, and the direction of rotation in which the shape memory alloy 8 undergoes elongation deformation, that is, the clockwise rotation in the figure, is defined as the positive direction. do).

そして、これにより、前記伸びxと形状記憶合
金1の形状回復力に基づくトルクTrおよび形状
記憶合金1を変形させるに要する力Tdは、第8
図の曲線Tr,Tdでそれぞれ示されるようなもの
になる。
As a result, the torque T r based on the elongation x and the shape recovery force of the shape memory alloy 1 and the force T d required to deform the shape memory alloy 1 are
The results are as shown by the curves T r and T d in the figure, respectively.

他方、第5図に示されるように、バネ10の本
体5に対する固定点Qと回転軸6との間の距離を
A、バネ支持棒9と回転軸6との距離をB、回転
軸6と点Qとを結ぶ直線と、回転軸6とバネ支持
棒9とを結ぶ直線とがなす角度をαとし、またバ
ネ10の無負荷時の長さをY、バネ10の全長の
伸びをyとすると、 (Y+y)2=A2+B2+2ABcosα …(7) となる。
On the other hand, as shown in FIG. 5, the distance between the fixing point Q of the spring 10 to the main body 5 and the rotation shaft 6 is A, the distance between the spring support rod 9 and the rotation shaft 6 is B, and the distance between the rotation shaft 6 and the rotation shaft 6 is Let α be the angle between the straight line connecting the point Q and the straight line connecting the rotating shaft 6 and the spring support rod 9, Y be the length of the spring 10 when no load is applied, and y be the elongation of the entire length of the spring 10. Then, (Y+y) 2 =A 2 +B 2 +2ABcosα...(7).

したがつて、バネ10の伸びyは、 y=√22+2− …(8) これ故、バネ10のバネ定数をKとすると、バ
ネ10のバイアス力Fsは、 Fs=K・y=(K√22+2
−Y)…(9) また、バネ10の力の作用線と回転軸6との間
の距離(モーメントの腕の長さ)をCとすると、 C=ABsinα/L …(10) したがつて、バネ10によるバイアス・トルク
Tsは、 Ts=Fs・C=K(√22+2
−Y)・ABsinα/L…(11) となる。
Therefore, the elongation y of the spring 10 is y=√ 2 + 2 + 2− (8) Therefore, if the spring constant of the spring 10 is K, the bias force F s of the spring 10 is F s =K・y=(K√ 2 + 2 + 2
-Y)...(9) Also, if the distance (moment arm length) between the line of action of the force of the spring 10 and the rotating shaft 6 is C, then C=ABsinα/L...(10) Therefore, , bias torque due to spring 10
T s is T s = F s・C=K(√ 2 + 2 + 2
−Y)・ABsinα/L…(11)

そして、θ=0のとき、α=βであるとする
と、α=β−θとなるので、(11)式は Ts=K{√22+2(−
)−Y}・ABsin(β−θ)/L…(12) と書き換えることができる。
Then, when θ=0, if α=β, then α=β−θ, so equation (11) becomes T s =K{√ 2 + 2 +2(−
)−Y}・ABsin(β−θ)/L (12).

このTsとθとの関係は第8図に示されるよう
になる。同図から明らかなように、このアクチユ
エータの場合、バネ10の力の作用線と回転軸6
との間の距離Cは、θが小さくなるにつれて減少
するので、バネ10によるバイアス・トルクTs
もθが小さくなるにつれて減少する。
The relationship between T s and θ is shown in FIG. As is clear from the figure, in the case of this actuator, the line of action of the force of the spring 10 and the rotation axis 6
Since the distance C between θ decreases as θ becomes smaller, the bias torque T s by the spring 10
also decreases as θ becomes smaller.

このため、バネ10の無負荷時の長さYおよび
バネ定数Kを適当に選択すれば、第8図のように
バネ10等からなるバイアス機構の特性を、前記
第1図に示したバイアス手段の理想的な特性の例
とほぼ同じ特性とすることができ、したがつて、
形状記憶合金8の加熱回復時および冷却変形時に
それぞれ比較的大きなトルクTph′Tpcを外部に取
り出すことができ、かつ変位の範囲を広範囲とす
ることができ、しかもこの広範囲の変位範囲にお
いて前記取り出せるトルクTph′Tpcの大きさの変
動を少なくすることができる。
Therefore, if the unloaded length Y and spring constant K of the spring 10 are appropriately selected, the characteristics of the bias mechanism consisting of the spring 10 etc. as shown in FIG. 8 can be changed to the bias means shown in FIG. can have almost the same properties as the ideal property example, and therefore,
During heating recovery and cooling deformation of the shape memory alloy 8, a relatively large torque T ph ′T pc can be extracted to the outside, and the displacement range can be widened, and moreover, in this wide displacement range, the above-mentioned Fluctuations in the magnitude of the extractable torque T ph ′T pc can be reduced.

第9図および10図は、本発明の他の実施例を
示し、この実施例は形状記憶合金をバイアス手段
として使用した例である。
FIGS. 9 and 10 show another embodiment of the present invention, in which a shape memory alloy is used as the biasing means.

箱状の本体11には、回転軸12が回転可能に
支持されており、この回転軸12の先端部は本体
11の外部に突出されている。前記回転軸12に
は、本体11の内部において、扇形の巻き掛け部
材13が固定されている。
A rotating shaft 12 is rotatably supported by the box-shaped main body 11, and the tip of the rotating shaft 12 projects outside of the main body 11. A fan-shaped wrapping member 13 is fixed to the rotating shaft 12 inside the main body 11 .

Ti−Ni合金からなる線状の形状記憶合金14
および15は、それぞれその一端を巻き掛け部材
13の円弧部13aの中央部に固定されており
(符号16はその固定点を示す)、かつ固定点16
付近の部分を円弧部13aに巻き掛けられてい
る。なお、前記巻き掛け部材13の円弧部13a
は、前記実施例と同様に回転軸12を中心とする
円弧をなしており、かつ該円弧部13aから形状
記憶合金14および15が外れないようにするた
めの溝部を形成されている。
Linear shape memory alloy made of Ti-Ni alloy 14
and 15 have one end fixed to the center of the circular arc portion 13a of the wrapping member 13 (numeral 16 indicates the fixing point), and the fixing point 16
A nearby portion is wrapped around the arc portion 13a. Note that the arc portion 13a of the wrapping member 13
As in the embodiment described above, the shape memory alloys 14 and 15 form a circular arc centered on the rotating shaft 12, and a groove is formed to prevent the shape memory alloys 14 and 15 from coming off from the circular arc portion 13a.

前記形状記憶合金14および15の他端は、本
体11に固定されている。ここで、前記形状記憶
合金14および15は、いずれも真直ぐで長さL
の形状を記憶している(ただし、前にも述べたよ
うに、本発明では、もつぱら形状記憶合金14お
よび15の伸び変形からの形状回復力を利用する
ので、形状記憶合金14および15は曲つた形状
を記憶していてもよい)。そして、形状記憶合金
14および15の両方が低温の状態にあるとき
は、このアクチユエータは第5図の状態にあり、
この場合、形状記憶合金14および15は共に引
張り力を作用されて伸び変形を受けた状態となつ
ている。
The other ends of the shape memory alloys 14 and 15 are fixed to the main body 11. Here, the shape memory alloys 14 and 15 are both straight and have a length L.
(However, as mentioned earlier, in the present invention, the shape memory alloys 14 and 15 mainly utilize the shape recovery force from elongation deformation, so the shape memory alloys 14 and 15 (The curved shape may be memorized.) When both shape memory alloys 14 and 15 are in a low temperature state, this actuator is in the state shown in FIG.
In this case, both shape memory alloys 14 and 15 are in a state of being subjected to elongation deformation due to the application of tensile force.

次に、本実施例の作動を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be explained.

一方の形状記憶合金15を低温状態としたま
ま、他方の形状記憶合金14をある温度以上に加
熱すると(このような加熱は、例えば該合金14
の両端間で通電を行うことにより実現できる)、
該合金14は形状記憶効果により元の記憶形状の
長さLに戻ろうとして、形状記憶合金15に抗し
て収縮する。また、このとき形状記憶合金15の
方はより大きく伸び変形を受ける。したがつて、
巻き掛け部材13および回転軸12は図上反時計
方向に回転される。
When one shape memory alloy 15 is kept in a low temperature state, the other shape memory alloy 14 is heated to a certain temperature or higher (such heating is performed, for example, when the shape memory alloy 14
(can be realized by passing current between both ends of the
The alloy 14 attempts to return to the length L of the original memorized shape due to the shape memory effect, and contracts against the shape memory alloy 15. Moreover, at this time, the shape memory alloy 15 undergoes a larger elongation deformation. Therefore,
The winding member 13 and the rotating shaft 12 are rotated counterclockwise in the figure.

また、上の場合とは逆に、形状記憶合金14の
方を低温状態としたまま、形状記憶合金15の方
をある温度以上に加熱すると、該合金15は形状
記憶効果により記憶形状の長さLに戻ろうとし
て、形状記憶合金14に抗して収縮する。また、
このとき、形状記憶合金14の方はより大きく伸
び変形を受ける。したがつて、巻き掛け部材13
および回転軸12は図上時計方向に回転される。
In addition, contrary to the above case, when shape memory alloy 15 is heated to a certain temperature or higher while shape memory alloy 14 is kept at a low temperature, the shape memory effect causes the alloy 15 to change the length of the memorized shape. In an attempt to return to L, it contracts against the shape memory alloy 14. Also,
At this time, the shape memory alloy 14 undergoes greater elongation deformation. Therefore, the wrapping member 13
The rotating shaft 12 is rotated clockwise in the figure.

本実施例においても、バイアス手段として機能
する方の低温状態の形状記憶合金14または15
が変形に抗する力の作用線と回転軸12との距離
(モーメントの腕の長さ)Dは、加熱されている
方の形状記憶合金の伸び変形が小さくなるほど
(すなわち、形状回復が進むほど)小さくなる。
したがつて、低温の方の形状記憶合金(バイアス
手段)が加熱されている方の形状記憶合金に作用
する引張り力は、後者の形状記憶合金の伸び変形
が小さくなるほど小さくなるので、前記実施例の
場合と同様の効果を得ることができる。
In this embodiment as well, the shape memory alloy 14 or 15 in the low temperature state functions as the biasing means.
The distance D between the line of action of the force that resists deformation and the rotating shaft 12 (the length of the moment arm) becomes smaller as the elongation deformation of the heated shape memory alloy becomes smaller (in other words, as the shape recovery progresses). ) become smaller.
Therefore, the tensile force that acts on the shape memory alloy that is heated by the shape memory alloy (biasing means) at the lower temperature becomes smaller as the elongation deformation of the latter shape memory alloy becomes smaller. The same effect can be obtained as in the case of .

なお、前記各実施例では、形状記憶合金自体が
直接巻き掛け部材に巻き掛けられているが、形状
記憶合金に線状の非形状記憶合金を接続し、この
非形状記憶合金の方を巻き掛け部材に巻き掛けて
もよい。
In each of the above embodiments, the shape memory alloy itself is directly wrapped around the wrapping member, but it is also possible to connect a linear non-shape memory alloy to the shape memory alloy and wrap this non-shape memory alloy around the wrapping member. It may also be wrapped around the member.

発明の効果 以上のように本発明による形状記憶合金アクチ
ユエータは、形状記憶合金の加熱回復時および冷
却変形時にある程度以上の大きさのトルクを外部
に取り出すことができ、かつ変位の範囲を広範囲
とすることができ、しかもこの広範囲の変位範囲
において取り出せるトルクの大きさの変動が少な
く、例えばロボツトの肩の関節のアクチユエータ
等として使用するに好適であるという優れた効果
を得られるものである。
Effects of the Invention As described above, the shape memory alloy actuator according to the present invention can extract a certain amount of torque to the outside during heating recovery and cooling deformation of the shape memory alloy, and can widen the range of displacement. Moreover, there is little variation in the magnitude of the torque that can be taken out over this wide displacement range, making it suitable for use as an actuator for a shoulder joint in a robot, for example.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明におけるバイアス手段の変位と
バイアス力との関係を示す特性図、第2図は本発
明による形状記憶合金アクチユエータの理想出力
トルク特性の一例を示す特性図、第3図は本発明
による形状記憶合金アクチユエータの一実施例を
示す斜視図、第4図および5図は前記実施例をそ
れぞれ異なる動作状態において示す断面図、第6
図は第5図のP方向矢視図、第7図は前記実施例
における巻き掛け部材の円弧部の断面図、第8図
は前記実施例における形状記憶合金およびバネの
負荷−変位線図、第9図および10図は本発明の
他の実施例をそれぞれ異なる動作状態おいて示す
断面図、第11図は従来の形状記憶合金アクチユ
エータを示す正面図、第12図は前記従来例にお
ける形状記憶合金およびバネの負荷−変位線図、
第13図は前記従来例における出力特性を示す特
性図である。 7……巻き掛け部材、8……形状記憶合金、1
0……バイアス・バネ、13……巻き掛け部材、
14,15……形状記憶合金。
FIG. 1 is a characteristic diagram showing the relationship between the displacement of the bias means and the bias force in the present invention, FIG. 2 is a characteristic diagram showing an example of the ideal output torque characteristic of the shape memory alloy actuator according to the present invention, and FIG. FIGS. 4 and 5 are perspective views showing one embodiment of the shape memory alloy actuator according to the invention; FIGS. 4 and 5 are sectional views showing said embodiment in different operating states, and FIG.
The figure is a view taken in the direction of arrow P in FIG. 5, FIG. 7 is a cross-sectional view of the circular arc portion of the wrapping member in the embodiment, and FIG. 8 is a load-displacement diagram of the shape memory alloy and the spring in the embodiment. 9 and 10 are cross-sectional views showing other embodiments of the present invention in different operating states, FIG. 11 is a front view showing a conventional shape memory alloy actuator, and FIG. 12 is a shape memory alloy actuator in the conventional example. Load-displacement diagrams for alloys and springs,
FIG. 13 is a characteristic diagram showing the output characteristics in the conventional example. 7... Wrap member, 8... Shape memory alloy, 1
0...Bias spring, 13...Wrap member,
14, 15...shape memory alloy.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 回転可能な巻き掛け部材と、少なくとも一部
に形状記憶合金からなる部分を有し、前記巻き掛
け部材に巻き掛けられるとともに、一部を前記巻
き掛け部材に対して固定された線状材と、前記巻
き掛け部材に所定方向のバイアス・トルクを作用
することにより前記巻き掛け部材を介して前記線
状材に引張り力を作用させるバイアス手段とを具
備してなり、前記バイアス手段は、少なくとも所
定範囲内において、前記バイアス・トルク方向に
関し前記巻き掛け部材の回転角度が大きくなるほ
ど前記バイアス・トルクを小さくする特性を有す
ることを特徴とする形状記憶合金アクチユエー
タ。
1. A rotatable winding member, and a wire member having at least a portion made of a shape memory alloy, which is wound around the winding member and partially fixed to the winding member. , bias means for applying a tensile force to the wire material through the winding member by applying a bias torque in a predetermined direction to the winding member, the biasing means having at least a predetermined direction. A shape memory alloy actuator characterized in that the bias torque decreases as the rotation angle of the wrapping member increases with respect to the bias torque direction within the range.
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