JPH06292375A - 熱電素子と形状記憶材料を用いたモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 モータは、熱電素子と形状記憶材料とを備
え、熱電素子へ通電し、その熱電素子の発熱部および吸
熱部の熱を、形状記憶材料の異なる部分にそれぞれ伝達
させて、その形状記憶材料の形状回復、あるいは形状回
復力を生起せしめて、熱電素子へ加えた電気エネルギー
を回転力等の機械的駆動力へと変換せしめる。 【効果】 基本的に非常に簡単な構造によって、回転力
等の機械的駆動力を得ることができ、且つ直流電源によ
る駆動が可能であるため制御が容易であり、電流の向き
を変えるのみで逆回転が可能であり、電磁気的ノイズの
発生がない動力機構とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、開閉装置、移動装置、
その他駆動装置の駆動源としてのモータに関するもので
あり、特に、形状記憶材料を利用したモータに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】ある種の金属合金や有機高分子材料で
は、その材料によって定まる変態温度以下で、外力によ
って一旦変形された形状が、変態温度以上に加熱される
と元の形状に回復するという現象が知られている。更に
は、変態温度付近の温度を境にして、それよりも高温側
と低温側に対してその形状が可逆的に変化する、いわゆ
る双方向性の材料もある。これらの材料は、形状記憶合
金、あるいは形状記憶樹脂として知られており、近年そ
の利用法の開発が活発になってきた材料である。

【０００３】一般的には、その形状記憶材料の組成およ
び製造法によって、あらかじめ設定された変態温度以下
で、バイアス力等の外力によって変形されている材料
が、外部の温度変化によって変態温度以上に加熱された
時に、高温で形状記憶されていた元の形状に復元しよう
とする現象を利用するものである。

【０００４】応用例として、油送用等のパイプ継手に利
用する場合には、通常使用される温度以下の変態温度を
有する形状記憶合金を、その変態温度以下でパイプの継
手部分で容易に位置合わせできるように変形させてお
き、位置合わせ組み付け後に、外部温度がその変態温度
以上である通常の使用温度に達した時に、元の形状がパ
イプ径よりも僅かに小さい径である場合に、その形状復
元力が働き、強固にパイプを締めつけて継ぎのばしてい
く方法がある。

【０００５】また、一種のアクチュエーターとして利用
する場合には、形状記憶材料の形状回復への復元力を利
用して、設定温度以上になった時に開く窓、あるいは出
火事の高温で自動的に開く消火用スプリンクラーの弁、
等に利用される。

【０００６】さらには、金属合金による形状記憶材料で
は、直接通電加熱によって変態温度以上に温度を上昇さ
せて、その形状復元力を利用するロボット装置なども考
案されている。

【０００７】一方では、エネルギー利用の観点から、温
水程度の温度範囲のいわゆる低品位熱エネルギーを機械
エネルギーに変換する熱エンジンへの応用が種々提案さ
れている。一例として挙げれば、本間敏夫等による試作
（東北大学選研彙報，Vol.34（1978），p.105 ）とし
て、添付図面の図１に例示する如く、回転径（Ｒ＞ｒ）
の異なる一対のプーリ１および２が、例えば、形状記憶
合金製のコイル状のエンドレスのループ３によって連結
され、その形状記憶合金製コイルループ３の一方のパス
３Ａが、符号Ｈで示すように、温風または温水等によっ
て加熱され、他方のパス３Ｂが、符号Ｃで示すように、
冷風または冷水等によって冷却されるとき、例えば、加
熱による該形状記憶合金の収縮によるプーリの回転モー
メントから冷却によりその形状記憶合金を伸ばすのに必
要な力を差し引いた分の力によって矢印Ｆで示すような
回転力が発生する熱エンジン等がある。このような熱エ
ンジンの他の例としては、例えば、A.D.Johnson による
提案（Record of the 10thIntersociety Energy Concer
sion Eng. Conf, Newark, DE(1975),p.530）等も挙げら
れる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述したような従来提
案されている回転力を発生する熱エンジンの構成は、形
状記憶材料の温度制御に、温風や温水、および冷風また
は冷水等を使用するもので、必ずしもその構造が簡単で
なく、その制御も簡単とは言えないものである。又、こ
のような構造の熱エンジンは、逆回転させるのに容易で
あるとは言えないものである。一方、前述したような形
状記憶材料を利用したアクチュエータを改良するものと
して、本発明者等は、特願平４−２４７８２１号および
特願平４−２４７８２２号の明細書および図面に開示さ
れているようなアクチュエータを提案している。この改
良アクチュエータでは、アクチュエータとして動作する
形状記憶材料の形状変化部分に接して、または近接して
配置された熱電素子に直流電流を通じ、その電流方向に
よってその熱電素子がその形状記憶材料に接し又は近接
する側の面を、発熱又は吸熱させることによりその形状
記憶材料の形状変化を制御するようにしている。

【０００９】従来提案されている熱エンジンの構造、制
御機能、性能等については、まだまだ改良する余地があ
るものと考えられ、本発明者等は、前述した改良アクチ
ュエータにおいて採用した手法を応用することにより、
これを行えるのではないかと考えた。

【００１０】本発明の目的は、前述したような従来提案
されている熱エンジンの問題点を解決しうるようなモー
タを提供することであり、さらには、電気エネルギーを
機械エネルギーに変換するための新規なエネルギー変換
方法を提案するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によるモータは、
発熱部および吸熱部を有する熱電素子と、該熱電素子へ
の通電を行なう電源供給手段と、前記熱電素子の発熱部
および吸熱部のそれぞれによる加熱および冷却を受ける
ように配置された形状記憶材料と、該形状記憶材料によ
って係合され駆動力を発生するための駆動力発生手段と
を備えており、前記熱電素子は、前記電源供給手段によ
って通電させられるとき、前記発熱部および吸熱部によ
って前記形状記憶材料の部分部分を加熱および冷却し
て、その形状記憶材料の部分部分の温度をその変態温度
を通過するように上昇および下降させることにより、そ
の形状記憶材料の形状変化の繰り返しにより、前記駆動
力発生手段に駆動力を発生せしめる。

【００１２】

【作用】使用する形状記憶材料が一方向性のもので、例
えば、ベルト状に連続体となっている場合に、熱電素子
に直流電流を印加した時、その発熱部に接するか近接す
る部分の形状記憶材料の温度が、その形状記憶材料の持
つ形状回復温度よりも高温になって形状を回復する力を
発生させる。一方、その形状記憶材料が熱電素子の吸熱
部に接するか近接する別の部分の温度が、その形状記憶
材料の持つマルテンサイト変態温度よりも低温になっ
て、バイアスとして加えられている外力により、発熱部
における形状回復とは別の形に変形される。但し、この
場合に、バイアス力は少なくとも高温時における形状回
復力より小さく、低温時における変形に必要な力より大
きい。

【００１３】あるいは、高温変態（オーステナイト変
態）における形状回復力とともに、低温変態（マルテン
サイト変態）においても形状回復力を発生する双方向性
形状記憶材料の場合には、熱電素子の吸熱部に接するか
近接する部分が、前述のバイアス力なしに自発的に、且
つ発熱部における回復形状とは別の形への形状回復力を
発生させるように、その形状記憶材料の設定がなされて
いる場合もある。

【００１４】以上述べたように、本発明においては、一
方向性および双方向性を含む形状記憶材料の、熱電素子
からの発熱と吸熱による形状変化を、一つの機械的駆動
力として外部に取り出そうとしているのであり、その代
表的な例として、その機械的駆動力を回転力として取り
出すことが考えられる。

【００１５】

【実施例】次に、添付図面の図２および図３を参照し
て、本発明の実施例について本発明をより詳細に説明す
る。

【００１６】図２は、本発明の一実施例としての熱電素
子と形状記憶材料を用いたモータの構成を概略的に示し
ている。図２に示すように、この実施例のモータは、図
１に関して説明したような従来提案されているような熱
エンジンと同様に、大きな回転径Ｒを有するプーリ１
と、小さな回転径ｒを有するプーリ２との間に、形状記
憶材料で形成されたベルト３が掛けられている。このベ
ルト３は、例えば、形状記憶材料のコイル状のエンドレ
スのループの形とされている。さらに、この実施例のモ
ータは、熱電素子１０を備えている。

【００１７】この熱電素子１０は、例えば、図３に略示
するような構成のものでよい。図３に示すように、熱電
素子の典型的な構造は、通常、ｐ型半導体１１とｎ型半
導体１２を一対としたものを一単位とし、且つ、それを
複数個の組み合わせにて一つの実用単位としたものであ
る。この熱電素子１０においては、直流電源２０によっ
て、導体端子１３、Ｐ型半導体１１、導体１４、ｎ型半
導体１２および導体端子１５の間に直流電圧を印加して
電流ｉを流すと、ここですでに公知の如く、その電流方
向によって、伝熱体１７の面１７Ａが加熱されたり冷却
されたりする。このとき、反対側の伝熱体１６の面１６
Ａは、熱的に面１７Ａとは逆の現象を呈するものであ
る。

【００１８】図２に示すように、図３に示したような熱
電素子１０の発熱部を面１７Ａとし吸熱部を面１６Ａと
すれば、形状記憶材料のベルト３の上方のパス３Ａに面
１７Ａが接するか近接し、下方のパス３Ｂに面１６Ａが
接するか近接するようにして、熱電素子１０が配置され
ている。図２において、参照符号４は、形状記憶材料の
ベルト３の各パス３Ａおよび３Ｂを、熱電素子１０の伝
熱体１６および１７の面１６Ａおよび１７Ａに対して密
着させるのに使用しうる調節用プーリを示している。

【００１９】熱電素子１０は、前述したように直流電源
２０につながっており、電流を印加したとき、伝熱体１
７の面１７Ａが発熱部となり、伝熱体１６の面１６Ａが
吸熱部となるものとする。いま、外界の環境温度がＴ
で、ベルト３を構成している形状記憶材料の形状回復温
度をＡｆ、変態温度（低温で変形容易になる温度）をＭ
ｓとし、Ｍｓ≦Ｔ＜Ａｆであるとき、熱電素子１０の発
熱面１７Ａの温度をＴＡ、吸熱面１６Ａの温度をＴＢと
して、熱電素子１０の熱電特性と印加電力が、熱電素子
１０に直流電流を印加したときに、発熱面１７Ａおよび
吸熱面１６Ａにおいて、それぞれＡｆ＜ＴＡ、ＴＢ＜Ｍ
ｓとなるに充分である場合について説明する。

【００２０】同時にここで、コイル形状である形状記憶
材料３の基本特性として、温度Ａｆ時におけるコイル外
周長よりも、温度Ｍｓ（≦Ｔ）時におけるコイル外周長
の方が長くなるように設定されているものとする。

【００２１】次に、例えば以上の条件における動作例に
ついて詳細に説明する。

【００２２】〔動作例１〕熱電素子１０に直流電源２０
から電流を流し、発熱面１７Ａと吸熱面１６Ａがそれぞ
れ温度ＴＡ（＞Ａｆ）とＴＢ（＜Ｍｓ）となり、それに
接している形状記憶材料３の温度もそれぞれＴＡ１（＞
Ａｆ）とＴＢ１（＜Ｍｓ）となれば、Ａｆ以上の時に収
縮状態として形状記憶されている場合には、その形状記
憶材料３の温度ＴＡ１の部分は、そのコイル外周方向に
収縮する。一方、形状記憶材料３の温度ＴＢ１の部分
は、そのコイル外周方向に伸展される。ここで回転径の
異なる二つのプーリ１および２は、回転モーメントも異
なり、発熱面１７Ａにおいてコイルに生ずる収縮力は、
回転モーメントの差によって二つのプーリ１および２
を、図２において矢印Ｆで示すように、時計回りに回転
させる。すなわち、発熱面１７Ａでのコイルの収縮力か
ら、吸熱面１６Ａでのコイルを伸展させるために必要な
力を差し引いた分の力によって回転を続ける。

【００２３】形状記憶材料のベルト３も時計回り方向に
回転移動し、順次新たな部分が発熱面１７Ａに移動して
温度ＴＡ１に変化する。一方、温度ＴＡ１だった部分
は、環境温度Ｔ（＜Ａｆ）によって順次その温度が下降
しながら、熱電素子１０の吸熱面１６Ａまで達すると、
そこでは温度ＴＢ１（ＴＢ１＜Ｍｓ＜Ｔまで降下する。
ここで少なくとも吸熱面１６Ａ付近では、形状記憶材料
の形状回復力は消滅してコイル外周方向に伸展される。

【００２４】この結果、加熱面１７Ａで収縮された分が
回復されて、新たな回転移動のための長さがここで供給
される。このような作用が連続的に持続することにより
２つのプーリ１および２は回転を続ける。従って、本発
明によって、持続的に回転可能である新規なモータが得
られることがわかろう。

【００２５】さらに、このような本発明のモータの構造
においては、スイッチ等の簡単な操作で熱電素子１０に
印加する直流の向きを反対にすれば、モータの回転方向
を反転することも容易にできることもわかろう。

【００２６】〔動作例２〕以上の動作例１で説明したの
は、形状記憶材料が温度Ａｆより高い場合に形状回復
し、温度Ｍｓより低い場合には、外力によってその形状
が変形するような、いわゆる一方向性の形状記憶材料を
使用する場合についてであるが、他の例として、Ａｆよ
り高い温度と、及びＭｓより低い温度の両方の場合とで
それぞれ異なった記憶形状をとるような、いわゆる双方
向性の形状記憶材料を用いた場合にも電動機としての基
本的動作は同じである。

【００２７】ただし、この場合は、発熱面１７Ａにおけ
る記憶材料の温度ＴＡ１（＞Ａｆ）の時に、形状記憶材
料コイル３の外周長が第一の記憶形状として収縮すれ
ば、吸熱面１６Ａにおける形状記憶材料の温度ＴＢ１
（＜Ｍｆ）の時には、形状記憶材料コイルの外周長が第
二の記憶形状として伸展するような温度と形状との関係
を有するように設定されている。

【００２８】ここで、一方向性形状記憶材料の場合に、
前述のように熱電素子の吸熱面１６Ａ付近にて伸展され
るのは、二つのプーリ１および２間の回転モーメントの
差によって生ずる回転力の一部を、バイアス力として消
費する結果である。しかし、そのようなバイアス力によ
ってコイルの外周長が伸展されるのに対して、例えば基
準よりも高温で自ら収縮し、基準よりも低温でも自ら伸
展するような双方向性形状記憶材料の場合におけるモー
タの動作をみると、熱電素子１０の吸熱面１６Ａ付近で
は外力のみによらずに、いわば自発的な回復形状として
形状記憶材料コイルの外周長が伸展する。そのため、そ
の伸展の力が駆動力としても作用する。

【００２９】さらに、このモータは、スイッチ等の簡単
な操作で熱電素子１０に印加する直流の向きを反対にす
れば、回転方向を反転することも容易である。

【００３０】以上の説明のように、本発明によれば、熱
電素子と形状記憶材料とを組み合わせることにより、直
流電源駆動による新規な回転モータを提供することがで
きる。

【００３１】また、本発明における熱電素子としては、
例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系やＢｉ−Ｓｂ系等が使用でき、形
状記憶材料としては、例えば、Ｎｉ−Ｔｉ系やＮｉ−Ｔ
ｉ−Ｃｏ系等の金属合金、あるいは形状記憶効果を有す
る有機高分子等が使用できる。

【００３２】熱電素子としては、ｐ型とｎ型の半導体一
対による熱電素子一組を単位として、通常は少なくとも
二組以上を組み合わせてモジュールとしており、モータ
としての動作に必要な電気−熱変換特性を有するモジュ
ールを適宜選択できる。この場合、モジュールとしての
熱電素子と形状記憶材料とによる組み合わせの基本的条
件としては、熱電素子モジュールの発熱部が、形状記憶
材料に対してその高温形状回復温度（Ａｆ）に達するだ
けの熱量を伝達でき、且つ熱電素子モジュールの吸熱部
が、形状記憶材料に対してその低温変態温度（Ｍｓ）以
下を与えるだけの熱量を吸熱できることであり、この条
件が満たされれば熱電素子材料と形状記憶材料について
の、個々の具体的材料及び特性に関する組み合わせ条件
は特に制限されるものではない。

【００３３】本発明は、前述したようないわゆる低品位
熱エネルギーを有効利用せんとする熱エンジンではな
く、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するための
新規なエネルギー変換方法を提案するものであり、理解
の容易さを勘案し、従来技術の一例として図１に例示し
た熱エンジンの構造、或いは構成をもとに、図１におけ
る加熱と冷却の方法を、例えば図２において説明したよ
うに熱電素子を利用した加熱と冷却の方法に代えること
によって、新規な動力機関の一つの例が得られることを
示すものである。

【００３４】換言するならば、本発明の原理によれば、
回転運動を発生させるのに熱電素子と形状記憶材料を用
いることにより、直流電源による熱電素子の熱的変化が
形状記憶材料の形状変化あるいは形状変化力の発生をも
たらし、さらにその力が駆動力となって回転運動に変換
されるということである。

【００３５】したがって、このような回転運動を含めた
機械的駆動力を発生させるのに、熱電素子と形状記憶材
料を用いる具体的な他の機械工学上の手法が別に提案さ
れるとしても、それらはすべて基本的に本発明の範囲を
越えるものではない。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、基本的に非常に簡単な
構造によって、回転力等の機械的駆動力を得ることがで
き、且つ直流電源による駆動が可能であるため制御が容
易であり、電流の向きを変えるのみで逆回転が可能であ
り、電磁気的ノイズの発生がない動力機構とすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による熱エンジンの構成例を示す概略
図である。

【図２】本発明の一実施例としての熱電素子と形状記憶
材料とを用いたモータの構成を示す概略図である。

【図３】図２のモータにおいて使用する熱電素子の構成
例を示す概略図である。

【符号の説明】

１ プーリ ２ プーリ ３ 形状記憶材料のベルト ３Ａ ベルトの上方パス ３Ｂ ベルトの下方パス ４ 調節用プーリ １０ 熱電素子 １１ ｐ型半導体 １２ ｎ型半導体 １３ 導体端子 １５ 導体端子 １６ 伝熱体 １６Ａ 吸熱面 １７ 伝熱体 １７Ａ 発熱面 ２０ 直流電源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱部および吸熱部を有する熱電素子
   と、該熱電素子への通電を行なう電源供給手段と、前記
   熱電素子の発熱部および吸熱部のそれぞれによる加熱お
   よび冷却を受けるように配置された形状記憶材料と、該
   形状記憶材料によって係合され駆動力を発生するための
   駆動力発生手段とを備えており、前記熱電素子は、前記
   電源供給手段によって通電させられるとき、前記発熱部
   および吸熱部によって前記形状記憶材料の部分部分を加
   熱および冷却して、その形状記憶材料の部分部分の温度
   をその変態温度を通過するように上昇および下降させる
   ことにより、その形状記憶材料の形状変化の繰り返しに
   より、前記駆動力発生手段に駆動力を発生せしめるよう
   にしたことを特徴とするモータ。
2. 【請求項２】 前記駆動力発生手段は、一対の互いに回
   転径の異なるプーリを備えており、前記形状記憶材料
   は、前記一対のプーリの間に掛けられたコイル状又は線
   状又はリボン状でエンドレスのループの形とされてお
   り、前記熱電素子は、前記発熱部を前記一対のプーリの
   間に掛けられた前記形状記憶材料のエンドレスループの
   一方のパスに接するかまたは近接させるようにして、且
   つ前記吸熱部を前記一対のプーリの間に掛けられた前記
   形状記憶材料のエンドレスループの他方のパスに接する
   かまたは近接させるようにして配置されていて、前記プ
   ーリは、前記エンドレスループのコイルの収縮および伸
   展の繰り返しによって回転されて回転駆動力を発生する
   請求項１記載のモータ。
3. 【請求項３】 前記形状記憶材料は、一方向性の形状記
   憶材料である請求項１または２記載のモータ。
4. 【請求項４】 前記形状記録材料は、双方向性の形状記
   憶材料である請求項１または２記載のモータ。