JPS6185079A - アクチユエ−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】 （発明の技術分野） この発明は、形状記憶素子の形状記憶効果を利用して動
作態を得るアクチュエータに係り、特に、形状記憶素子
が形状記憶合金で形成され、この形状記憶素子の形状回
復制御を形状記憶素子自身に供給される電流によって発
生するジュール熱で行なわせるタイプのアクチュエータ
に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

周知のように、組成比が適宜に設定されたＮｉ−７ｉ系
合金およびＣｕ系合金は、形状記憶機能を有している。

このような形状記憶合金は、所定温度に加熱されると記
憶している形状に回復するという特異な性質を有してい
る。この特異の性質は、機械的変位動作を必要とするも
の、たとえば各種のアクチュエータやスイッチ類に有効
に利用できる。

ところで、形状記憶合金で形成された形状記憶素子に形
状回復動作を行なわせるには、なんらかの手段で形状記
憶素子に熱を加え、記憶している形状に戻るのに必要な
逆変態点温度以上、つまりマルテンサイトを消滅させ得
る温度に昇温させる必要がある。このように昇温させる
手段として＆よ種々考えられているが、この種の形状記
憶素子を組込んで構成されたアクチュエータで（ま、一
般的に、形状記憶素子自身に電流を流し、このときのジ
ュール熱で昇温させる方式が採用されて０る。

この、いわゆる通電加熱方式＆よ、１＜）レス的な通電
によって形状回復制御が行なえるので他の方式に較べて
制御系の単純化に寄与して０る。

形状記憶合金で形成された形状記憶素子を装備する従来
のアクチュエータにあっては、通常、形状記憶素子の両
端に電極を設けている。そして、形状回復制御時に、こ
れら電極を通して形状記憶素子全体に電流を流し、ジュ
ール加熱するようにしている。このとき形状記憶素子に
流れる電流は、形状記憶素子全体にほぼ均一に流れる。

したがって、ジュール熱も形状記憶素子全体に１って均
一に生じ、この熱によって起こる形状回復も形状記憶素
子全体に亙って均一に起こる。このように、従来のこの
種のアクチュエータにあっては、形状記憶素子全体を逆
変態点温度を越える温度まで昇温させて形状記憶素子全
体を瞬時に記憶形状まで変位させたときのステップ的な
変位を利用する方式を採用している。

しかしながら、上述のように形状記憶素子全体のステッ
プ的な変位だけを利用した従来のアクチュエータにあっ
ては、１つの単純な動作だけしか行なうことができず、
使用できる範囲が大幅に狭いという欠点がある。たとえ
ば、１つのアクチュエータで人間の指に類似した掴み′
動作を行なわせたり、あるいはまた複雑な複数種類の動
作を行なわせることはできない。このため使用範囲が必
然的に特定される問題があった。

また、この種のアクチュエータでは、その用途の拡大と
ともに可搬重量の増大化が望まれており、そのために出
力の大きいものの出現が望まれている。出力を増大させ
るには、アクチュエータに用いる形状記憶合金部材の断
面積を増大させたり、形状記憶合金部材を複数にして総
断面積を増大させたりすることによって実現できる。し
かし、形状記憶合金材を複数にした場合には、各形状記
憶合金部材の形状回復に差が生じたり、各形状記憶合金
部材の形状回復制御が複雑になるなどの問題がある。し
たがって、アクチュエータの出力を増大させるには、少
数の形状記憶合金部材、望ましくは１本の形状記憶合金
部材の断面積を増大させることが有利である。しかしな
がら、形状記憶合金部材の断面積を増大させると、形状
記憶合金部材の全抵抗値が減少するため、ジュール熱で
必要な温度まで上昇させるには電流を大幅に増加させる
必要がある。このため、高電圧で大電流、つまり大容量
の通電加熱用電源を必要とし、全体のコンパクト化が困
難となる。

〔発明の目的〕

この発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、通電加熱用電源の大容量化を
抑えた状態で出力の増大化を図るこ′とができ、しかも
所望とする複雑な動作を行なわせることができ、使用範
囲を大幅に拡大化できるアクチュエータを提供すること
にある。

〔発明の概要〕

この発明は、所定温度に加熱されると記憶している形状
に回復する形状記憶合金部材で形成された形状記憶素子
を備え、この素子の形状回復制御を上記素子自身に供給
される電流によって発生するジュール熱で行なわせるよ
うにしたアクチュエータを対象にしている。

このようなアクチュエータにおいて、この発明では、形
状記憶素子の表面の複数箇所に亙っで上記形状記憶素子
を複数の区間に区画する導電層を設けるとともにこれら
導電層を電極として上記各区間に独立的に１ｉ流を供給
する電流供給装置を設けたものとなっている。

〔発明の効果〕

この発明のアクチュエータによると、１つのアクチュエ
ータに所望とする複雑な動作を行なわせることができる
。

すなわち、前述した導電層を電極として形状記憶素子の
所望区間だけ、あるいは各区間に順次電流を流し、各区
間毎に独立的に形状回復動作を行なわせることができる
。したがって、従来のものに較べて１つの形状記憶素子
に複数種類の複雑な動作を行なわせることができる。こ
のため、たとえばロボットの指のように尚−Ｍ”ａｍな
動きの要求されるものへの適用を可能化できるなど使用
範囲を大幅に拡大化できる。

また、この発明のアクチュエータによると、通電加熱用
電源の大容量化を招くことなく大出力化を図ることがで
きる。

すなわち、前記関係に導電層を設けているので、１つの
通電加熱用電源を用いて、たとえば指定された２つの区
間に時系列に交互に電流を供給し、これら２つの区間を
形状回復させることもできる。

この場合、通電加熱用電源は、１つ区間に所要の電流を
流し得る客層だけ備えていればよいことになる。したが
って、アクチュエータの出力を増大させるために形状記
憶素子を構成している形状記憶合金部材の断面積を増加
させた場合であっても、それに対応させて通電加熱用電
源の容量を増加させる必要はない。このため、大出力化
を図った状態で、なおかつ全体のコンパクト化を図るこ
とができる。

〔発明の実施例〕

第１図には、この発明の一実施例に係るアクチュエータ
１０でバルブ２の開き度を制御している例が開示されて
いる。

アクチュエータ１０は、支持機構１１と、この支持機構
１１に片持ち支持に固定された形状記憶素子１２と、こ
の形状記憶素子１２の遊端側の機械的変位をバルブ２の
開き変調節部に伝達する伝達機構１３と、形状記憶素子
１２に、この形状記憶素子１２をジュール加熱するのに
必要な電流を選択的に供給する電流供給装［１４とで構
成されている。

支持機構１１は、図示しない部材に適宜な手段で固定さ
れる支持材２１にＬ字状に形成された金具２２の一端側
を固定し、この金具２２の他端側に比較的厚肉の絶縁板
で形成されたベース２３を固定したものとなっている。

前記形状記憶素子１２は、たとえば厚さ０．５履、幅３
Ｍ、長さ６０＃のＮｉ　　（５０ａｔ％）−Ｔｉ　（５
０ａｔ％）合金板で形成され、図中ｘ１で示すように直
線状に形状記憶処理された後に曲率半径４０ｍの弧状に
変形加工されてなる帯状の合金板２４と、この合金板２
４の一方の表面の長手方向３箇所に亙って被着された導
電層２５．２６．２７と、合金板２４の両端両面にそれ
ぞれ被着された導電層２８．２９とで構成されている。

導電層２５．２６．２７．２８．２９は、それぞれ厚さ
２０［μＴｒＬ］の銅の電気メツキ層で構成されている
。そして、導電層２５．２６．２７の合金板２４の長手
方向に沿った幅は２１１１ＩＩ＋に設定されている。上
記のように構成された形状記憶素子１２は、導電層２９
が設けられている側を遊端とし、導電層２８が設けられ
ている側を基端とし、ベース２３の図中右側面側に、上
記右側面に対して基端より遊端が距離的に離れる関係に
対向配置され、この状態で基端側がボルト３０でベース
２３に対して締付は固定されている。すなわち、合金板
２４の導電層２８で覆われた部分の中央部には、導電層
−２８を一体に貫通するように孔３１が設けてあり、こ
の孔３１と同軸的に孔開き導電板３２、孔開きスペーサ
３３を上記類に導電層２８のベース２３側に位置する面
に当てがい、上記孔３１および孔開き導電板３２、孔開
きスペーサ３３の８孔にボルト３０を一体に差し込み、
このボルト３０の先端部をベース２３に設けられた孔３
４に差し込んで締付は固定されている。そして、導電板
３２および導電層２５．２６．２７．２９には、　　゛
それぞれフレキシブルなリード線３５．３６．３７．３
８．３９の一端側が半田付けされており、これらリード
線３５〜３９の他端側は支持材２１に固定された端子４
０．４１．４２．４３．４４に電気的に接続されている
。

ベース２３の前記合金板２４における遊端に対向する位
置には、貫通孔４５が設けてあり、この貫通孔４５にガ
イド筒４６が挿入固定されている。

そして、上記ガイド筒４６によって伝達機構１３が支持
されている。伝達機構１３は、ガイド筒４６内に、この
ガイド簡４６を摺動自在に貫通するように差し込まれ、
一端側が前記合金板２４の遊端に接触するとともに他端
側かバルブ２の開き度調整部に連結された絶縁材製のロ
ッド４７と、このロッド４７の前記ベース２３とバルブ
２との間に位置する部分外周に突設された鍔４８と、こ
の鍔４８とバルブＺとの間に介挿されてロッド４７に対
し常に図中右方向に向かう力を付与するバイアス用のコ
イルスプリング４９とで構成されている。

一方、端子４０．４１，４２．４３．４４には、それぞ
れ別のリード線５０．５１．５２．５３．５４の一端側
が接続されており、これらリード線の他端側は電流供給
装置１４に接続されている。

電流供給装置１４は、具体的には、第２図に示すように
構成されている。すなわち、この電流供給装置１４は、
直流Ｎ源６０を備え、この直流電源６０の正極はトラン
ジスタ、サイリスタ等で構成された半導体スイッチ６１
〜６５の一端にそれぞれ共通に接続されている。そして
、これら半導体スイッチ６１〜６５の他端は前記リード
線５０〜５４にそれぞれ接続されている。これらリード
線５０〜５４には、それぞれ別のリード線７１〜７５の
一端が接続されており、これらリード＄１７１〜７５の
他端は同じくトランジスタ、サイリスタ等で構成された
半導体スイッチ８１〜８５の一端にそれぞれ接続されて
いる。そして、半導体スイッチ８１〜８５の他端は共通
に直流電源６０の負極に接続されている。半導体スイッ
チ６１〜６５および８１〜８５はスイッチ制御器９０に
よってＯＮ、０ＦＦＩＩＪ＠される。このス・インチ制
御器９０は、図示しない制御系から制御信号８１〜Ｓ４
が与えられると、この制御信号によって指定された合金
板２４の区間に電流が流れるように各半導体スイッチを
ＯＮ、０ＦＦｉｌＪＩＩＩする。具体的には次のように
ＯＮ、ＯＦＦ制御するように構成されている。すなわち
、今、合金板２４の導電層２９と導電層２６との間に位
置する区間Ａ１Ｂを指定する制御信号が与えられたとす
ると、まず半導体スイッチ６１．８２を短期間ＴだけＯ
Ｎ状態に制御して導電層２９と導電層２７との間に位置
する区ｉｉＡに電流を流す。続いて上記期間が終了した
時点で半導体スイッチ６１，８２をＯＦＦ＃ＪＩＩＩす
るととも半導体スイッチ６２．８３を期間ＴだけＯＮ状
態に制御して導電層２．７と導電層２６との間に位置す
る区間Ｂに電流を流す。続いて、再び半導体スイッチ６
１．８２を期間ＴだけＯＮ制御して導電層２９と導電層
２７との間に位置する区１１ｆｌＡに電流を流す。以下
、上述した通電制御を繰り返す。すなわち、いかなる場
合でも導電層で区画された１区間だけに電流が流れるよ
うに各半導体スイッチをＯＮ制御し、これによって合金
板２４の指定された区間を形状回復させるようにしてい
る。第３図は全区間Ａ、８１Ｃ，Ｄが指定されたときに
各区間に流れる電流の時間関係を示している。

このような構成であると、形状記憶素子１２を長手方向
に複数の区間に区画するよに導電層２５〜２９を設けた
ことによって、形状記憶素子１２を部分的に形状回復さ
せることができるので、動作量を細かに、複数種類に屋
っでステップ状に制御することができる。また、上述し
た関係に導電層２５〜２９を設けているので、実施例の
ように常に導電層で区画ざ°れた最少単位の１区間だけ
に電流を流す方式を採用でる。したがって、出力を増加
させるために合金板２４の断面積を増加させた場合であ
っても、直流電源６０としては１区間だけに電流を供給
できる程度のものでよく、それ程大容量のものを必要と
しないばかりか線径の細いリード線の使用を可能化でき
、結局、前述した本発明の効果を発揮できることになる
。

この実施例の動作から分るように合金板２４の表面に設
けられる導電層２５〜２９は電極として用いられている
。したがって、導電層を形成する物質としては電気伝導
率の高いものがよく、銅のほかに金、銀、アルミニウム
、ニッケルあるいはこれらの合金が望ましい。また、導
電層を介して積極的に放熱させることにより、導電層を
境にして両側に位置する区間相互での熱移動を抑制して
精度の高い変位制御を行なわせることができる。

したがって、導電層の構成物質としては形状記憶合金よ
り熱伝導率の高いものがより好ましい。また、導電層の
厚みあるいは幅を選択することによって、この導電層が
設けられている部分の形状回復を抑制することができる
。したがって、繰返し応力によってリード線の接続部が
離脱するのを防止することもできる。

ここで、この実施例に関係する基本的実験例を開示する
。

実験例１ 直線の記憶された直径０．２＃１ＩＩＩのＮ１（ａｔ５
０％）−Ｔｉ　（ａｔ５０％）合金線に、直径０゜２Ｍ
ｗｍの第１、第２、第３の銅線を１．７α間隔に上記類
に巻き付は機械的に接合し、続いて、上記銅線の巻き付
けられている部分間を曲率半径３ｔｔｍとなるように均
一に変形加工した形状記憶素子を得た。このように構成
された形状記憶素子に第１、第２の銅線を経由させてこ
れら銅線が接続されている区間に０．３■の電圧を印加
して０．３８Ａの電流を流し、また第２、第３の銅線を
経由させてこれら銅線が接続されている区間に０．５ｖ
の電圧を印加して０．５Ａの電流を流した。その結果、
０．３８Ａ流した区間は約３．５秒で完全に形状回復し
、０．５Ａ流した区間では約１．５秒で完全に形状回復
した。

実験例２ 実験例１における銅線の巻き付は部の抵抗を減少させる
ために第１、第２、第３の銅線が接続される部分の合金
線表面に幅約２麿、厚さ約３０［μｍ］の銅のメッキ層
をそれぞれ設け、これらメッキ層に第１、第２、第３の
銅線を半田付けした。そして、実験例１と同様に、第１
、第２の銅線間に０．３■の電圧を印加し、第２、第３
の銅線間に０．５Ｖの電圧を印加したところ−、０．３
Ｖ印加した区間は約２．５秒で形状回復し、０．５Ｖ印
加した区間は約１秒で形状回復した。

実験例３ 実験例１で用いた形状記憶素子を使用し、第１、第２の
銅線が接続されている区間のみに１．３ｖの電圧を印加
を印加して電流を流し、第２、第３の銅線が接続されて
いる区間への熱の伝達を調べたところ、通電開始から約
５秒後に形状回復を開始し、約９０秒後に完全に形状回
復した。印加電圧を０．５Ｖにしたところ、第２、第３
の銅線が接続されている区間は１８０秒経過しても形状
回復しなかった。

実験例４ 実験例２で用いた形状記憶素子を使用し、第１、第２の
銅線が接続されている区間のみに１．３■の電圧を印加
して電流を流し、第２、第３の銅線が接続されている区
間への熱の伝達の調べたところ、第２、第３の銅線が接
続されている区間は通電開始から１８０秒経過しても完
全には形状回復しなかった。また、印加電圧を０．５Ｖ
ににしたところ第２、第３の銅線が接続されている区間
は、通電開始から１８０秒経過しても全く形状回復しな
かった。

次に、第４図を参照してこの発明の第２の実施例に係る
アクチュエータ１０ａを説明する。このアクチュエータ
１０ａは、物体を掴む装置として用いられる。

このアクチュエータ１０ａは、基本的には第１図に示し
たアクチュエータと同様に構成されている。

すなわち、このアクチュエータ１０ａに組込まれた形状
記憶素子１２ａは、第１図に示したものと同様に、Ｎｉ
　（ａｔ５０％）−Ｔｉ　（ａｔ５０％）゛合金で帯状
に形成され合金板１００と、この合金板１００の一方の
面に長手方向に沿って等間隔に被着された銅のメッキ層
のような導電層１０１．１０２．１０３．１０４と、合
金板１００の一端側端部両面に被着された同様の導電層
１０５とで構成されている。合金板１００は、図中２点
鎖線×２で示すように導電層１０５が設けられている側
とは反対側の部分が円弧状をなすように形状記憶処理さ
れた後、直線状に変形加工されている。各導電層１０１
〜１０４の合金板１００の長手方向に添った方向の幅は
、たとえば２Ｍに設定されている。そして、上記のよう
に構成された形状記憶素子１２ａは、導電層１０５の設
けられている部分が導電板１０６を介在させた状態でボ
ルト１０７によってベース１０８に片持ち支持に固定さ
れている。なお、ベース１０８は、図示しない駆動機構
によって、図中上下方向および紙面と直交する方向に選
択的に移動制御される。前記導電板１０６および導電層
１０１〜１０４には、それぞれリードＩ１１１１．１１
２．１１３．１１４．１１５の一端が電気的に接続され
ており、これらリード線の他端は図示しない接続用の端
子をそれぞれ介して第２図に示したように構成された図
示しない電流供給装置に接続されている。

次に、上記のように構成されたアクチュエータ１０ａを
用いて円柱状の物体を掴み、この物体を所望の場所に搬
送する場合の動作を説明する。

まず、ベース１０８を移動させて、形状記憶素子１２ａ
の導電層が設けられていない側の面が物体Ｗの外周面に
接触するように位置設定する。続いて、導電層１０１と
導電層１０２との間に位置する区間に電流を流し、この
区間を形状回復させる。このように形状回復させると、
第５図（ａ）に示すように形状回復した区間が物体Ｗの
外周面の一部に密接する。続いて、導電層１０１と１０
２との間の区間に電流を流している状態で、さらに導電
層１０２と導電層１０３との間の区間に電流を流し、こ
の部分を形状回復させる。このように形状回復させると
第５図（ｂ）に示すように形状記憶素子１２ａは物体Ｗ
の外周の１／２以上に密接する。続いて、導電層１０３
と導電層１０４との間に位置する区間にも電流を流し、
この区間を形状回復させる。この区間を形状回復させる
と、第５図（Ｃ）に示すように形状記憶素子１０ａは物
体Ｗの外周の２／３以上に密接し、物体Ｗを締付ける。

したがって、この状態でベース１０８を移動させれば物
体を所望の場所に搬送することができる。

このように、この実施例に係るアクチュエータ１０ａは
、あたかも人間の指のような動作を行なって、物体を掴
むことができる。したがって、マニュプレータにも応用
することができる。

上述した２つの実施例では、それぞれ第１図に示した電
流供給装置を用いているが、第６図に示すように形状記
憶素子１２Ｇを長手方向に複数に区画するように設けら
れた導電層１２１〜１２４によって設定された各区間に
１対１に対応する通電加熱用の電源１２５〜１２７を有
した電流供給装置１３１を用いるようにしてもよい。な
お、図中、１２８〜１３０はスイッチを示している。ま
た、上述した各実施例では、板状に形成された形状記憶
素子を用いているが、これら実施例の説明から分るよう
に、用途に応じて形状記憶素子を線状、膜状、棒状、コ
イル状に形成してもよい。また、Ｃｕ系の形状記憶合金
を使用することもできる。さらに、導電層を設ける手段
としては、圧接、溶接、ろう付け、圧着などの機械的な
接合、メッキ、溶射、蒸着、ＣＶＤ、スパッタなどの表
面処理法、イオンスパッタによる形状記憶合金内部まで
の導電化などの方法が採用できる。そして、導電層を形
成した後、４５０〜８００℃で熱処理を施せば拡散接合
層が得られるので導電層の剥離を防止することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るアクチュエータの構成
図、第２図は同アクチュエータにおける電流供給装置の
構成図、第３図は形状記憶素子に供給される電流の一供
給形態を説明するための図、第４図は本発明の別の実施
例に係るアクチュエータの要部構成図、第５図は同アク
チュエータの動作を説明するための図、第６図は本発明
のさらに別の実施例に係るアクチュエータの模式的構成
図である。 １０．１０ａ、１０　Ｃ−・・アクチュエータ、１２．
１２ａ、１２ｂ−・・形状記憶素子、１４．１３１　・
・・電流供給装置、２４．１００・・・合金板、２５．
２６．２７．２８．２９．１０１．１０２．１０３．１
０４・・・導電層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定温度に加熱されると記憶している形状に回復
   する形状記憶合金部材で形成された形状記憶素子の変位
   で動作量を得るように構成され、上記形状記憶素子の形
   状回復制御を上記形状記憶素子自身に供給される電流に
   よって発生するジュール熱で行なうようにしたアクチュ
   エータにおいて、前記形状記憶素子の表面の複数箇所に
   亙って設けられ上記形状記憶素子を複数の区間に区画す
   る導電層と、これら導電層を電極として前記各区間に独
   立的に電流を供給する電流供給装置とを具備してなるこ
   とを特徴とするアクチュエータ。
2. （２）前記電流供給装置は、１つの電源を備え、指定さ
   れた前記区間について常に１区間だけに電流が流れる状
   態に短期間ずつ上記指定区間に順次電流を供給するもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のア
   クチュエータ。