JPH0775355A

JPH0775355A - 形状記憶アクチュエータ

Info

Publication number: JPH0775355A
Application number: JP21978093A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Arai; 和彦荒井
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1993-09-03
Publication date: 1995-03-17

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明にあっては、形状記憶合金との相対的
な位置を可変する部材により相対的位置を可変すること
を特徴とする。【構成】ベース部材１１に、圧電素子１２ａ及び１２ｂ
が固定されると共に、ベース部材１１上に、圧電素子１
２ａ及び１２ｂにより駆動される抵抗体ヒータ１３が載
置されている。この抵抗体ヒータ１３の変位方向に対し
て、屈曲形状が記憶された形状記憶合金１４が、ベース
部材１１により拘束されている。制御装置１５は、圧電
素子駆動用制御入力信号発生装置１６と、圧電素子駆動
用電圧増幅器１７と、抵抗体ヒータ通電用制御入力信号
発生装置１８と、抵抗体ヒータ通電用電流増幅器１９を
有して構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は形状記憶合金の形状回
復動作を利用して、負荷を駆動する形状記憶アクチュエ
ータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、形状記憶合金を用いたアクチュエ
ータの応答性を高めるために、加熱時に比べ応答性の低
い冷却操作に対して様々な工夫がなされてきた。例えば
特開昭６１−２２７８０号公報にも開示されているよう
に、ペルチェ素子を用いて形状記憶合金を冷却すること
が一般的に行われている。

【０００３】図１４を参照して、ペルチェ素子の説明を
行う。ペルチェ素子は、一般に自由電子の濃度や平均エ
ネルギーが異なる異種の金属を接触して構成されてい
る。例えば、ｎ型半導体１と、導電性電極２及び３で構
成され、外部電源４が図中の極性で接続されているペル
チェ素子に於いて、電極３とｎ型半導体１との接触部で
は電子の移動が起こり電位差が生じる。この電位差に逆
らって電流を流すと、電子は低電位から高電位に移動す
るためエネルギーの不足が生じるが、このエネルギー不
足を図示矢印Ａ₁ で示されるように、周囲から熱の形で
奪うため、該接触部の温度が下がる。

【０００４】また、電極２とｎ型半導体１との接触部で
も電子の移動が起こり電位差が生じるが、この電位差に
逆らって電流を流すと、電子は高電位から低電位に移動
するため過剰なエネルギーが生じ、このエネルギーを図
示矢印Ａ₂ で示されるように周囲へ熱の形で放出するた
め、該接触部の温度が上がる。ペルチェ素子は可逆素子
であるため、流す電流の向きを逆にすることによって発
熱と吸熱が逆になるので、加冷却を一つの素子で行える
という利点を有している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ペルチ
ェ素子を冷却する空間と加熱する空間とが断熱材で遮断
されるように構成した冷蔵室等に用いる場合と異なっ
て、解放された空間内で形状記憶アクチュエータ等を駆
動するのに用いる場合には、放熱（図示矢印Ａ₂ ）が伝
熱により、電極３とｎ型半導体１との接触部側に伝わっ
て冷却効率を低下させる。この影響は、発熱側と吸熱側
の距離が狭まるに従って増大するので、ペルチェ素子を
使用した形状記憶アクチュエータの微細化は困難であ
る。また、冷却効率はよくても、厚いペルチェ素子を形
状記憶合金に張付けると、形状記憶合金の駆動を阻害
し、十分な発生力を取り出せないという課題も有してい
る。

【０００６】したがってこの発明は、これらの問題点を
克服し、熱交換を効果的に行うと共に、形状記憶合金の
駆動を阻害せずに微細化が可能な形状記憶アクチュエー
タを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、所
定方向に屈曲形状が記憶された形状記憶合金と、この形
状記憶合金の温度を変化させるもので、少なくとも上記
形状記憶合金に熱量を供給する場合にこの形状記憶合金
と接触する温度変化手段と、この温度変化手段による温
度の変化を制御して上記温度変化手段と上記形状記憶合
金との相対的な位置を変化させる制御手段とを具備する
ことを特徴とする。

【０００８】

【作用】この発明の形状記憶アクチュエータにあって
は、形状記憶合金とこの形状記憶合金を温度変化させる
温度変化手段との相対変位は、変位手段をパルス的に駆
動することにより生じる。そして、形状記憶合金と温度
変化手段との接触時間、及び該温度変化手段への通電パ
ターンによって、単位時間当たりに形状記憶合金に与え
られる熱量が決定される。この熱により、形状記憶合金
全体が記憶された形状に変形し、外部負荷を駆動する。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例を説
明する。図１はこの発明に係る形状記憶アクチュエータ
の第１の実施例の構成を示すもので、（ａ）は外観斜視
図、（ｂ）は同図（ａ）の図示矢印Ｂ方向から見ると共
にその制御系を表した図である。

【００１０】図１（ａ）及び（ｂ）に於いて、ベース部
材１１には、圧電素子１２ａ及び１２ｂが片持ち梁状に
固定されている。上記ベース部材１１上には、圧電素子
１２ａ及び１２ｂにより駆動される抵抗体ヒータ１３が
載置されている。そして、この抵抗体ヒータ１３の図示
矢印Ｃで示される変位方向に対して、図示矢印Ｄ方向に
屈曲形状が記憶された形状記憶合金１４が、ベース部材
１１により１１ａ及び１１ｂの部分で拘束されている。
ここで、１１ｂでの拘束は、図示矢印Ｅ₁ 方向の変位が
可能で、形状記憶合金の熱膨張及び形状記憶変化による
変形の逃げとなっている。

【００１１】一方、制御装置１５は、上記圧電素子１２
ａ及び１２ｂの駆動用制御入力信号発生装置１６と、圧
電素子１２ａ及び１２ｂの駆動用電圧増幅器１７と、抵
抗体ヒータ１３の通電用制御入力信号発生装置１８と、
抵抗体ヒータ１３の通電用電流増幅器１９を有して構成
される。そして、圧電素子１２ａ及び１２ｂは、圧電素
子駆動用電圧増幅器１７を介して圧電素子駆動用制御入
力信号発生装置１６に、抵抗体ヒータ１３は、抵抗体ヒ
ータ通電用電流増幅器１９を介して抵抗体ヒータ通電用
制御入力信号発生装置１８に、それぞれ接続されてい
る。

【００１２】上記圧電素子１２ａ及び１２ｂはバイモル
フ型の構成で、電圧増幅器１７からの２０Ｖ程度の印加
電圧で１００μｍ程度変位可能である。そして、圧電素
子１２ａと抵抗体ヒータ１３とは耐熱性を有するポリミ
ド系の接着剤で接着されているが、圧電素子１２ｂと抵
抗体ヒータ１３とは接しているだけで摺動可能である。
抵抗体ヒータ１３と形状記憶合金１４とは９０μｍ程度
の空間を、そして圧電素子１２ａ、１２ｂとベース部材
１１とは５０μｍ程度の空間を有して配置されている。

【００１３】次に、この第１の実施例の動作について説
明する。図２（ａ）に示されるように、制御入力信号発
生装置１８から一定の電圧が発生され、電流増幅器１９
により電流増幅が行われた結果、抵抗体ヒータ１３は、
常に一定温度に保たれている。電流増幅器１９による電
流増幅率は、抵抗体ヒータ１３による形状記憶合金１４
の加熱に、単位時間当たりに必要な熱量Ｑと、抵抗体ヒ
ータ１３の抵抗値Ｒから、Ｑ＝Ｉ² Ｒを満たす電流値Ｉ
を発生し得るように決定する。

【００１４】圧電素子１２ａ、１２ｂには、図２（ｂ）
に示されるように、制御入力信号発生装置１６から発生
されたパルス状の電圧に電圧増幅器１７によって増幅さ
れた電圧が加えられる。これにより、圧電効果による変
形で電圧がハイ状態で形状記憶合金１４に抵抗体ヒータ
１３が押付けられ、逆に電圧がローの状態で抵抗体ヒー
タ１３が形状記憶合金１４から離される。電圧増幅は、
上述した通り、圧電素子１２ａ、１２ｂへの入力が２０
Ｖ程度になるように、入力信号から決定される。

【００１５】形状記憶合金１４の加熱量は、一定時間当
たりの抵抗体ヒータ１３の接触時間と非接触時間の比で
決定されるもので、加熱量を増加させたければ接触時間
の割合を増加させればよい。このようにして接触領域か
ら加えられた熱は、形状記憶合金１４の伝熱で、図示矢
印Ｅ₂ 方向へ伝わり、予め記憶させられた形状に形状記
憶合金１４を変形させる。

【００１６】したがって、この第１の実施例によれば、
次のような効果がある。上記構成の場合、形状記憶合金
１４と抵抗体ヒータ１３との接触で形状記憶合金１４を
加熱し、冷却は抵抗体ヒータ１３を形状記憶合金１４か
ら離すことによって、形状記憶合金１４と周囲の冷媒と
の接触面積を増やし、自然放熱により冷却する。また、
抵抗体ヒータ１３と形状記憶合金１４との接触が、これ
らを直接形状記憶合金に張付けた場合と異なって形状の
変形を妨げないので、効果的に発生力を外部への仕事と
して取出すことができる。

【００１７】尚、上述した第１の実施例の各構成は、当
然、各種の変形、変更が可能である。例えば、図３は、
第１の実施例の制御装置１５を変形した第２の実施例の
構成を示したものである。図１と同じ参照番号を付した
ものは、第１の実施例と同様のものを表しているので説
明は省略する。

【００１８】制御装置１５ａに於いて、制御入力信号発
生装置２０から発生されたパルス状入力は、圧電素子駆
動用電圧増幅器１７、抵抗体ヒータ通電用電流増幅器１
９を介して、圧電素子１２ａ、１２ｂ及び抵抗体ヒータ
１３へ、それぞれ入力されるようになっている。そのた
め、圧電素子１２ａ、１２ｂ及び抵抗体ヒータ１３への
入力電圧は、それぞれ図４（ａ）及び（ｂ）に示される
ようになる。すなわち、信号が同期しており、抵抗体ヒ
ータ１３が形状記憶合金１４から離れる時には、抵抗体
ヒータ１３の加熱をやめているため、無駄な熱を発生し
ていない。

【００１９】次に、図５（ａ）及び（ｂ）を参照して、
この発明の第３の実施例を説明する。図５（ａ）は第３
の実施例による形状記憶アクチュエータの正面図、図５
（ｂ）は同図（ａ）を上部から見た図であり、形状記憶
合金１４及びベース部材１１は説明の簡単化のため取り
除いてある。尚、上述した第１の実施例と同じ番号、記
号を付したものは、第１の実施例と同様のものを表して
いるので、ここでは説明を省略する。

【００２０】この第３の実施例による形状記憶アクチュ
エータは、次のように構成されている。図５（ａ）及び
（ｂ）に於いて、セラミックス等から成る支持台２１で
ベース部材１１に固定された板状の圧電素子２２は、こ
れに固定されたセラミックス等から成るスペーサ２３ａ
及び２３ｂを介して、抵抗体ヒータ１３に接続されてい
る。スペーサ２３ａと抵抗体ヒータ１３は、耐熱性を有
するポリミド系の接着剤で接着されているが、スペーサ
２３ｂと抵抗体ヒータ１３とは接しているだけで摺動可
能となっている。

【００２１】また、ベース部材１１には通気孔２４ａ及
び２４ｂが設けられている。圧電素子２２は３つの板か
ら構成され、圧電素子２２のそれぞれの接地側信号線が
導電性電極２５に取付けられている。圧電素子２２の３
つの板のうち、両端の板の入力信号線は導線２６によっ
て結線されており、電圧増幅器１７からの入力を信号端
子２７から受ける。圧電素子２２の３つの板のうち、中
央の板には耐熱樹脂からなる扇２８及び２８ｂが取付け
られており、信号端子２９と接続されている。

【００２２】次に、第３の実施例の動作を説明する。抵
抗体ヒータ１３は、上述した第２の実施例と同様に、一
定電圧で一定温度に加熱されている。また、圧電素子２
２にも第１の実施例と同様のパルス状の入力が信号端子
２７から与えられ、圧電素子２２が支持台２１を基準に
弓状に変形する。これによって、抵抗体ヒータ１３は図
示矢印Ｃ方向に変位する。そして、入力電圧がハイ状態
で形状記憶合金１４に抵抗体ヒータ１３が押付けられ、
逆に電圧がローの状態で抵抗体ヒータ１３は形状記憶合
金１４から離される。この際、信号端子２９には、圧電
素子２２への入力電圧増幅器と同等の制御系により発生
された、図６に示される１００Ｈｚ程度の正弦波状の電
圧が与えられる。これにより、圧電ファンが形成され
る。

【００２３】この結果、図示矢印Ｆ₁ 、Ｆ₂ に示される
ような空気の流れが生じ、高い放熱性が得られる。図７
は、この発明の第４の実施例を示す構成図である。同図
に於いて、図１に示された構成要素と同じ参照番号、記
号を付したものは、上述した第１の実施例と同様のもの
を表しており、ここでの説明は省略する。

【００２４】図７に於いて、ベース部材１１には圧電素
子３０が固定されている。この圧電素子３０は、形状記
憶合金１４に対して摺動可能で接しており、抵抗体ヒー
タ１３は形状記憶合金１４に対して９０μｍ程度の間隔
を設けてベース部材１１に固定されている。

【００２５】次に、この第４の実施例の動作を説明す
る。第４の実施例は、圧電素子３０及び抵抗体ヒータ１
３への通電方法は、上述した第１の実施例または第２の
実施例と同様である。すなわち、圧電素子３０の圧電効
果により、図示矢印Ｃ方向に変形させた抵抗体ヒータ１
３に形状記憶合金１４を接触させるようにしたものであ
る。第１の実施例では、形状記憶合金１４の鋼性が低い
と、抵抗体ヒータ１３を押付けようとしても、変位して
形状記憶合金１４が逃げてしまい、効果的に形状記憶合
金１４を加熱することができない場合も考えられる。し
かしながら、この第４の実施例の構成によれば、形状記
憶合金１４の鋼性が低い場合でも、確実に抵抗体ヒータ
１３に形状記憶合金１３を接触させられるという利点を
有している。

【００２６】次に、この発明の第５の実施例について説
明する。図８は、この発明の第５の実施例の構成を示す
もので、図８（ａ）は外観斜視図、図８（ｂ）は同図
（ａ）の図示矢印Ｂ方向から見ると共にその制御系を表
した図である。尚、同図に於いて、図１に示された構成
要素と同じ参照番号、記号を付したものは、上述した第
１の実施例と同様のものを表しており、ここでの説明は
省略する。

【００２７】ベース部材１１に固定された抵抗体ヒータ
１３は、形状記憶合金１４に対して摺動可能に接してい
る。また、放熱板３１は、形状記憶合金１４との間に９
０μｍ程度の間隔を有して、圧電素子３２によってベー
ス部材１１に取付けられている。制御装置１５ｂでは、
圧電素子駆動用電圧増幅器１９への入力は、圧電素子駆
動用制御入力信号発生装置１６と抵抗体ヒータ通電用制
御入力信号発生装置１８の差で構成されている。

【００２８】次に、図９（ａ）〜（ｄ）を参照して、こ
の第５の実施例の動作を説明する。最大値が同じであ
る、図９（ａ）で示されるステップ状の信号と、同図
（ｂ）で示されるパルス状の信号とが、それぞれ制御入
力信号発生装置１８と制御入力信号発生装置１６から出
力される。すると、抵抗体ヒータ１３への入力電圧と、
圧電素子３２への入力は、それぞれ図９（ｃ）、（ｄ）
に示されるようになる。圧電素子３２は、圧電効果によ
る図示矢印Ｃ方向への変形で、電圧がハイ状態で形状記
憶合金１４に放熱板３１を押付け、逆に電圧がローの状
態で放熱板３１を形状記憶合金１４から離す。抵抗体ヒ
ータ１３は放熱板３１が形状記憶合金１４に非接触状態
で通電され、逆に放熱板３１が形状記憶合金１４に接触
状態で非通電となる。

【００２９】形状記憶合金１４の加熱量は、制御入力信
号発生装置１６からのパルス状の信号のデューティー比
で決定されるもので、加熱量を増加させたければパルス
状の信号の単位時間当たりのハイ状態の割合を増加させ
ればよい。このようにして接触領域から加えられた熱
は、形状記憶合金１４の伝熱で図示矢印Ｅ₂ 方向へ伝わ
り、予め記憶させられた形状に形状記憶合金を変形させ
る。

【００３０】したがって、第５の実施例によれば、次の
ような効果がある。図８に示される構成の場合、冷却効
率の高い放熱板３１を接触させることによって形状記憶
合金１４の冷却を加速させるので、応答性の高い形状記
憶アクチュエータを構成することができる。また、この
ような構成では、ペルチェ素子とは異なり、加熱部材は
加熱部材のみで設計され、加熱部材と冷却部材との構成
ではそれぞれが独立に設計できるので冷却効率の高い設
計を行うことができることになる。

【００３１】尚、この第５の実施例の各構成も、各種の
変形、変更が可能なのは勿論である。そして、第６の実
施例として、例えば上述した第１の実施例の制御装置１
５のように、抵抗体ヒータ１３への通電と圧電素子３２
への通電は同期していなくても構わない。つまり、制御
装置１５と同じ構成で、図１０（ａ）に示されるよう
に、抵抗体ヒータ１３への通電、非通電の割合を一定に
保ち、放熱板３１を加熱量の調整として使用しても構わ
ない。尚、図１０（ａ）及び（ｂ）は、第６の実施例に
於ける抵抗体ヒータ１０への入力電圧、及び圧電素子３
２への入力電圧のタイムチャートである。

【００３２】次に、図１１を参照して、この発明の第７
の実施例を説明する。図８と同じ参照番号、記号を付し
たものは、第３の実施例と同様のものを表すので、説明
は省略する。

【００３３】図１１は、図８（ａ）の縦断面図と等価で
あり、連結部材３３によって放熱板３１と抵抗体ヒータ
１３とを結び付けている。圧電素子（図示せず）により
放熱板３１が駆動されると、これに連動して抵抗体ヒー
タ１３も図示矢印Ｇ方向に駆動される。

【００３４】したがって、抵抗体ヒータ１３には、常時
通電したままで、制御装置による信号同期処理により通
電切り替えを行わなくても、放熱板３１が形状記憶合金
１４に接触して冷却を加速しているときには、抵抗体ヒ
ータ１３は形状記憶合金１４から離れている。逆に、抵
抗体ヒータ１３が形状記憶合金１４に接触して加熱を行
っているときには、放熱板３１は形状記憶合金１４から
離れていることになる。故に、効果的に加冷却を行うこ
とができる。

【００３５】次に、この発明の第８の実施例を、図１２
を参照して説明する。この第８の実施例は、上述した第
１の実施例により構成された形状記憶アクチュエータの
適用例である。図中、図１（ａ）、（ｂ）と同じ参照番
号、記号を付したものについては、第１の実施例と同様
のものを表すので、説明は省略する。

【００３６】図１２に於いて、３４ａ、３４ｂは図１の
ように構成された形状記憶アクチュエータを表わしてい
る。これらの形状記憶アクチュエータ３４ａ、３４ｂを
対向させ、リンクジョイント３５で相対的に図示矢印Ｄ
₁ 、Ｄ₂ 方向に回動可能なように連結されたリンク３７
ａ及び３７ｂに、それぞれのベース部材の底部が固定さ
れた構成となっている。

【００３７】そして、この第８の実施例に用いられる形
状記憶合金１４′は、直線状態に対して前後に屈曲形状
を記憶した全方向性の形状記憶合金である。これによっ
て、２自由度を有する高速に駆動可能なリンクマニピュ
レータを構成することができる。

【００３８】次に、この発明の第９の実施例を、図１３
を参照して説明する。この第９の実施例は、上述した第
８の実施例の変形例であり、図１（ａ）及び（ｂ）、図
１２と同じ参照番号、記号を付したものは、上述した第
１及び第８の実施例と同様のものを表しているので、説
明は省略する。

【００３９】図１３に於いて、３４は図１のように構成
された形状記憶アクチュエータを表わしている。そし
て、この形状記憶アクチュエータ３４は、リンクジョイ
ント３５で相対的に図示矢印Ｄ₁ 、Ｄ₂ 方向に回動可能
なように連結されたリンク３６ａ′、３６ｂ′、及び全
方向性の形状記憶合金１４″により、その端部３７では
接着、端部３８では摺動可能に固定されている。したが
って、２自由度を有する高速に駆動可能なリンクマニピ
ュレータを構成することができる。

【００４０】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、熱交換
を効果的に行うと共に、形状記憶アクチュエータの駆動
を阻害することなく、形状記憶合金を効果的に加冷却
し、高応答で外部負荷を駆動することのできる形状記憶
アクチュエータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る形状記憶アクチュエータの第１
の実施例の構成を示すもので、（ａ）は外観斜視図、
（ｂ）は同図（ａ）の図示矢印Ｂ方向から見ると共にそ
の制御系を表した図である。

【図２】（ａ）は第１の実施例に於いて抵抗体ヒータ１
３を駆動する際のタイムチャート、（ｂ）は同様に圧電
素子１２ａ、１２ｂを駆動する際のタイムチャートであ
る。

【図３】この発明の第２の実施例の構成を示した図であ
る。

【図４】（ａ）は第２の実施例に於いて圧電素子１２
ａ、１２ｂを駆動する際のタイムチャート、（ｂ）は同
様に抵抗体ヒータ１３を駆動する際のタイムチャートで
ある。

【図５】（ａ）は第３の実施例による形状記憶アクチュ
エータの正面図、（ｂ）は同図（ａ）図を部分的に上部
から見た図である。

【図６】圧電ファンに対する入力信号を示すタイムチャ
ートである。

【図７】この発明の第４の実施例を示す構成図である。

【図８】この発明の第５の実施例の構成を示すもので、
（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は同図（ａ）の図示矢印Ｂ
方向から見ると共にその制御系を表した図である。

【図９】（ａ）は制御入力信号発生装置１８からの出力
信号を示すタイムチャート、（ｂ）は制御入力信号発生
装置１６からの出力信号を示すタイムチャート、（ｃ）
及び（ｄ）はこの際の抵抗体ヒータ１３と圧電素子３２
への入力電圧のタイムチャートである。

【図１０】（ａ）及び（ｂ）はこの発明の第６の実施例
に於ける抵抗体ヒータ１３への入力電圧及び圧電素子３
２への入力電圧のタイムチャートである。

【図１１】この発明の第７の実施例の構成を示す縦断面
図である。

【図１２】この発明の第８の実施例の構成を示した図で
ある。

【図１３】この発明の第９の実施例の構成を示した図で
ある。

【図１４】ペルチェ素子の原理を示す説明図である。

【符号の説明】

１１…ベース部材、１２ａ、１２ｂ…圧電素子、１３…
抵抗体ヒータ、１４…形状記憶合金、１５…制御装置、
１６…圧電素子駆動用制御入力信号発生装置、１７…圧
電素子駆動用電圧増幅器、１８…抵抗体ヒータ通電用制
御入力信号発生装置、１９…抵抗体ヒータ通電用電流増
幅器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定方向に屈曲形状が記憶された形状記
憶合金と、この形状記憶合金の温度を変化させるもので、少なくと
も上記形状記憶合金に熱量を供給する場合にこの形状記
憶合金と接触する温度変化手段と、この温度変化手段による温度の変化を制御して上記温度
変化手段と上記形状記憶合金との相対的な位置を変化さ
せる制御手段とを具備することを特徴とする形状記憶ア
クチュエータ。