(57)【要約】【課題】湾曲角の変化の影響による可動端の変位をより小さくする構成としたＳＭＡアクチュエータを提供すること。【解決手段】通電加熱により収縮し、冷却により延伸することによって、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤ４と、形状記憶合金ワイヤ４が挿入された可撓性を有する絶縁チューブ６と、絶縁チューブ６の一方の端部およびＳＭＡワイヤ６の一方の端部が接続される固定部５と、ＳＭＡワイヤ６の他方の端部に機械的に連結され、絶縁チューブ６の他方の端部に対して相対的に移動可能な移動体１と、ＳＭＡワイヤが延伸する方向に前記移動体１に外力を作用するバイアスばね２と、絶縁チューブ６に挿入されたＳＭＡワイヤ６の軸の位置と、絶縁チューブ６の中心軸の位置とを一致させるための内径変化部分６１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電加熱により収縮し、冷却により延伸することによって、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤと、
前記形状記憶合金ワイヤが挿入された可撓性を有する第１の中空部材と、
前記第１の中空部材の一方の端部および前記形状記憶合金ワイヤの一方の端部が接続される固定部と、
前記形状記憶合金ワイヤの他方の端部に機械的に連結され、前記第１の中空部材の他方の端部に対して相対的に移動可能な移動体と、
前記形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に前記移動体に外力を作用する弾性部材と、
前記第１の中空部材に挿入された前記形状記憶合金ワイヤの軸の位置と、前記第１の中空部材の中心軸の位置とを一致させるためのガイド部と、を備えることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１の中空部材は湾曲可能部を有し、
前記ガイド部は前記湾曲可能部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項３】
前記形状記憶合金ワイヤは、前記第１の中空部の内径よりも小さい前記ガイド部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項４】
前記第１の中空部材は、第１の内径と、前記第１の内径より小さい第２の内径とを有し、
前記湾曲可能部の少なくとも一部に前記第２の内径が形成されることで前記ガイド部を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項５】
前記第１の中空部材の内径よりも小さい外径をもつ可撓性を有する第２の中空部材を有し、
前記湾曲可能部において、前記第１の中空部材に前記第２の中空部材が挿入されることで前記ガイド部を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項６】
前記ガイド部は、前記湾曲可能部内において前記第１の中空部材の内部に第２の内径を形成する複数の部材で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状記憶合金アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
形状記憶合金は温度変化により変態し形状変化する。この形状記憶合金の形状変化を利用したアクチュエータは、アクチュエータの小型化、軽量性などにおいて優れた特性を持っている。
例えば、特開昭６１−１９９８０号公報では形状記憶合金の線材の一端を固定端とし、もう一端を可動端とする構成が示されている。ここでは、バイアスばねによる応力と、形状記憶合金の線材への通電加熱による温度変化で形状記憶合金の線材の長さが変化したときに発生する収縮力とによって、可動端が駆動する技術が開示されている。また、固定端側の形状記憶合金の線材を絶縁性で湾曲可能なチューブ部材で覆うことにより、形状記憶合金アクチュエータの省スペース化も可能としている。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−１９９８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記先行技術のような電力制御で加熱、冷却を行い形状記憶合金（以下、適宜「ＳＭＡ」という）ワイヤが伸縮することを駆動源とするＳＭＡアクチュエータは、駆動部近傍以外のＳＭＡワイヤ部位を絶縁性のチューブで覆うように構成される。チューブ部位が湾曲可能とした構成の場合、チューブ部位の湾曲角が変化したときに、チューブ部位の内径とＳＭＡワイヤの外径との差によって、ＳＭＡワイヤの長さが同じでも、可動端が変位してしまう可能性がある。
可動端を制御駆動する場合、湾曲角が変化したことによる可動端の変位は出来るだけ小さくすることが望ましい。
【０００５】
本発明はこの点に着目し、湾曲角の変化の影響による可動端の変位をより小さくする構成としたＳＭＡアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することによって、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤと、
形状記憶合金ワイヤが挿入された可撓性を有する第１の中空部材と、
第１の中空部材の一方の端部および形状記憶合金ワイヤの一方の端部が接続される固定部と、
形状記憶合金ワイヤの他方の端部に機械的に連結され、第１の中空部材の他方の端部に対して相対的に移動可能な移動体と、
形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に移動体に外力を作用する弾性部材と、
第１の中空部材に挿入された形状記憶合金ワイヤの軸の位置と、第１の中空部材の中心軸の位置とを一致させるためのガイド部と、を備えることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータを提供できる。
【０００７】
また、本発明の好ましい態様によれば、第１の中空部材は湾曲可能部を有し、ガイド部は湾曲可能部に設けられていることが望ましい。
【０００８】
また、本発明の好ましい態様によれば、形状記憶合金ワイヤは、第１の中空部の内径よりも小さいガイド部を備えることが望ましい。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様によれば、第１の中空部材は、第１の内径と、第１の内径より小さい第２の内径とを有し、湾曲可能部の少なくとも一部に第２の内径が形成されることでガイド部を構成することが望ましい。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様によれば、第１の中空部材の内径よりも小さい外径をもつ可撓性を有する第２の中空部材を有し、湾曲可能部において、第１の中空部材に第２の中空部材が挿入されることでガイド部を構成することが望ましい。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様によれば、ガイド部は、湾曲可能部内において第１の中空部材の内部に第２の内径を形成する複数の部材で構成されることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータは、湾曲可能部が湾曲したことによる絶縁チューブの軸とＳＭＡワイヤの軸とのずれ量を低減できるので、可動端の変位量が低減され、より精度の高い可動端の位置制御ができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
（ＳＭＡワイヤアクチュエータの原理）
まず、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータの説明に先立って、ＳＭＡアクチュエータの基本原理について説明する。
【００１５】
図６（ａ）、（ｂ）は、基本原理を説明するための形状記憶合金アクチュエータの断面図である。通電し加熱することにより収縮し、冷却すると延伸するＳＭＡワイヤを用いる（通電装置は不図示である）。
【００１６】
図６（ａ）は、ＳＭＡワイヤ４が冷却され、延伸している状態を示す。ＳＭＡワイヤ４は第１の中空部材である絶縁チューブ６に挿入され、一端が圧着端子である固定部材５に固定される。固定部材５は絶縁チューブ６に固定されている。ＳＭＡワイヤ４の他端は移動体１に接続されている。絶縁チューブ６は、筒３の内部に挿入され、固定されている。筒３の内部には、圧縮コイルばねであるバイアスばね２が設置される。バイアスばね２は移動体１に対して紙面左方向に応力を与えている。
【００１７】
このように、図６（ａ）では、ＳＭＡワイヤ４が延伸し、バイアスばね２の紙面左方向に働く応力により、移動体１は紙面左方向に応力がかかっている状態である。このとき、移動体１はＳＭＡワイヤ４の長さと、絶縁チューブ６の長さとで決定される位置に制止した状態となっている。ここで、移動体１を機械的に制止するようにストッパーを設けてもよい。
【００１８】
図６（ｂ）は、ＳＭＡワイヤ４を通電加熱し、収縮させた状態を示す。ＳＭＡワイヤ４が収縮し、ＳＭＡワイヤ４の収縮力がバイアスばね２の応力より大きいため、移動体１は図６（ａ）よりも紙面右方向に移動している。例えば、ＳＭＡワイヤ４の長さを抵抗フィードバック制御によって一定に保持した場合、図６（ａ）と図６（ｂ）との間の位置で移動体１を制止することが可能である。
【００１９】
（湾曲による位置ずれの説明）
次に、絶縁チューブ６を湾曲させたときに生ずる移動体１の位置ずれについて説明する。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図６（ａ）、（ｂ）に示したＳＭＡアクチュエータの湾曲による移動体の位置ずれを説明する図である。図６（ａ）、（ｂ）と重複する内容については説明を省略する。また、絶縁チューブ６の湾曲により移動体１の位置がずれることを説明するために図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各図の筒３の左端を揃えて図示している。ＳＭＡワイヤ４は抵抗フィードバック制御によって長さが一定に保持された状態とする。また、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、それぞれのＳＭＡワイヤ４の長さは等しいとする。
【００２０】
図７（ａ）は、絶縁チューブ６の湾曲可能部を湾曲させずに直線状にした状態を示している。ＳＭＡワイヤ４の軸位置は絶縁チューブ６の中心軸の位置と一致している。
図７（ｂ）は、絶縁チューブ６の湾曲可能部を湾曲角１８０度に曲げた状態である。そして、ＳＭＡワイヤ４の軸位置が絶縁チューブ６の中心軸の位置と一致している状態、すなわち径方向にずれていない状態を示している。この状態は現実にはありえないが説明のために図示している。
【００２１】
図７（ｂ）に示すように、湾曲角１８０度に曲げた状態でもＳＭＡワイヤ４の軸位置が絶縁チューブ６の中心軸の位置から径方向にずれていない場合、移動体１の位置は図７（ａ）で示す位置と同等となる。ここで、移動体１の位置の定義は、移動体１と筒３の左端との相対距離とする。
【００２２】
図７（ｃ）は、絶縁チューブ６の湾曲可能部を湾曲角１８０度に曲げた実際の状態を示している。実際には、図７（ｂ）と異なり、湾曲可能部においてＳＭＡワイヤ４は最短経路を通る。このため、ＳＭＡワイヤ４の軸位置（実線で示す）は絶縁チューブ６の中心軸の位置（点線４１で示す）から湾曲中心側の径方向にずれる。
【００２３】
したがって、図７（ｃ）に示すように、ＳＭＡワイヤ４の長さが同等でありながら図７（ａ）、（ｂ）の移動体１の位置と比較して紙面左方向に移動体１の位置がずれる。距離αは図７（ａ）、（ｂ）に対する図７（ｃ）の移動体１のずれ量を示している。尚、図７（ｃ）の点線４１は、図７（ｂ）のＳＭＡワイヤ４の位置を示している。
【００２４】
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ＳＭＡワイヤ４の長さが同じでも、湾曲可能部が湾曲したとき、湾曲可能部におけるＳＭＡワイヤ４の軸位置が絶縁チューブ６の中心軸の位置からずれると、移動体１の位置が変化する（ずれる）ことを示している。また、湾曲によるＳＭＡワイヤ４の軸位置のずれ量が大きいほど、移動体１のずれ量が増加することを示している。
【００２５】
次に、湾曲角が異なる場合、移動体１のずれ量が変化することについて説明する。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と同様のＳＭＡアクチュエータを用いて、湾曲角が異なる場合の移動体１のずれ量を説明する図である。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と重複する内容については説明を省略する。
【００２６】
図８（ａ）は図７（ａ）と同様の状態を示す図である。図８（ｃ）は図７（ｃ）と同様の状態を示す図である。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と同様にＳＭＡワイヤ４が抵抗フィードバック制御によって長さが一定に保持された状態とする。また、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、それぞれのＳＭＡワイヤ４の長さは等しいとする。また、移動体１の位置を比べやすくするために、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各図の筒３の左端を揃えて図示している。
【００２７】
図８（ｃ）は、図７（ｃ）と同様に図８（ａ）に比べて移動体１の位置が距離α１分だけ、紙面左方向にずれる。図８（ｂ）は、絶縁チューブ６を湾曲可能部で湾曲角９０度に曲げた状態を示す。図７（ｃ）と同様の理由によって、ＳＭＡワイヤ４の軸位置は絶縁チューブ６の中心軸の位置からずれる。このとき、移動体１は図８（ａ）と比べて距離α２分だけ、紙面左方向にずれる。α１とα２を比べるとα１＞α２となる。
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、湾曲角の増加によって、移動体１の湾曲によるずれ量が増加することを示している。例えば、発明者が鋭意実験した結果、絶縁チューブ６の内径が０．５ｍｍでＳＭＡワイヤ４の外径が０．２ｍｍの場合では、α１が約０．４７ｍｍ、α２が約０.２４ｍｍとなることを見出している。
このように、ＳＭＡアクチュエータを湾曲させて用いる場合には、湾曲により移動体１の位置にずれが生じる。また、湾曲角によってずれ量が異なるという現象が生じている。
【００２８】
次に、図１を用いて、本発明の第１の実施例について説明する。図１は、本発明のＳＭＡアクチュエータの第１の実施例の断面図である。
【００２９】
図１において、ＳＭＡワイヤ４は第１の中空部材である絶縁チューブ６に挿入され、一端が圧着端子である固定部材５に固定される。固定部材５は絶縁チューブ６に固定されている。ＳＭＡワイヤ４の他端は移動体１に接続されている。絶縁チューブ６は、筒３の内部に挿入され、固定されている。筒３の内部には、圧縮コイルばねであるバイアスばね２が設置される。
【００３０】
本実施例では湾曲可能部において、絶縁チューブ６に内径が小さくなる内径変化部分６１を設けている。このように、絶縁チューブ６（第１の中空部材）は湾曲可能部を有している。絶縁チューブ６（第１の中空部材）のうちの内径変化部分６１は、第１の内径より小さい第２の内径を有している。そして、湾曲可能部の少なくとも一部に、第２の内径を有する内径変化部分６１が形成されることでガイド部を構成する。
【００３１】
内径変化部分６１によって、湾曲可能部の内径が小さく、ＳＭＡワイヤ４の径方向の可動域が狭くなる。このため、湾曲させた場合、ＳＭＡワイヤ４の軸位置が絶縁チューブ６の中心軸の位置から湾曲中心側の径方向にずれ量が減る。したがって、図７（ｃ）の説明のとおり、内径変化部分６１が形成されていない場合よりも、湾曲可能部の湾曲による移動体１の位置のずれ量が低下する。この結果、安定した制御、すなわち移動体１の不要なずれが無い制御が可能となる。
【実施例２】
【００３２】
図２は、本発明のＳＭＡアクチュエータの第２の実施例の断面図である。第１の実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する内容については説明を省略する。
【００３３】
本実施例では湾曲可能部において、絶縁チューブ６の中に第２の絶縁チューブ６２を挿入し、さらに第２の絶縁チューブ６２内にＳＭＡワイヤ４が挿入されている。すなわち、湾曲可能部において、絶縁チューブ６（第１の中空部材）に第２の絶縁チューブ６２（第２の中空部材）が挿入されることでガイド部を構成している。
【００３４】
第２の絶縁チューブ６２が湾曲可能部に存在することにより、湾曲可能部の湾曲によりＳＭＡワイヤ４の軸位置が絶縁チューブ６の中心軸の位置から湾曲中心側の径方向にずれる量が減る。このため、第１の実施例と同様の理由で、第２の絶縁チューブ６２がない場合よりも、湾曲可能部の湾曲による移動体１の位置のずれる量が低下する。この結果、安定した制御すなわち移動体１の不要なずれが無い制御が可能となる。
【００３５】
また、組立ての際には、先に第２の絶縁チューブ６２にＳＭＡワイヤ４を挿入する。その後、第１の絶縁チューブ６に第２の絶縁チューブ６２を挿入する方式にする。ＳＭＡワイヤ４の外径に対して挿入しづらい小さい内径の第２の絶縁チューブ６２については湾曲可能部までの長さのみ挿入することによって、湾曲可能部の内径を小さくする構成を簡単に作成することができる。
【００３６】
図２のように、第２の絶縁チューブ６２は移動体１に固定している。このような構成にすることにより、ＳＭＡワイヤ４全体を電気的に絶縁する効果を持ち、通電で駆動制御を行う際は効果を発揮する。もちろん、第２の絶縁チューブ６２が移動体１に固定されていなくても、湾曲による移動体１の位置ずれを低下、防止する効果を得ることが出来る。
【実施例３】
【００３７】
図３は、本発明のＳＭＡアクチュエータの第３の実施例の断面図である。第１の実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する内容については説明を省略する。
【００３８】
本実施例では、湾曲している湾曲可能部において絶縁チューブ６の内側に複数個の内径が変化する突起部６３を設置している。湾曲可能部の内径が変化する突起部６３が設置されている部分では、ＳＭＡワイヤ４と絶縁チューブ６との間が狭くなる構成である。
【００３９】
このため、第１の実施例と同様の理由で、内径が変化する突起部６３がない場合よりも、湾曲可能部の湾曲による移動体１の位置のずれ量が低下し、安定した制御が可能となる。本実施例では、湾曲可能部において絶縁チューブ６の内径が一様に変化するのではなく、複数の位置において点接触にすることにより、湾曲可能部の範囲に合わせて内径が変化する突起部６３を設置することが可能となる。これにより、異なる湾曲可能部範囲に合わせた作成が簡便化される。なお、内径が変化する突起部６３はリング（輪環形状）のようなものを配置してもよい。
【実施例４】
【００４０】
図４は、本発明の第４の実施例の構成を説明する図である。第１の実施例と重複する内容については説明を省略する。本実施例では、ＳＭＡワイヤ４にガイド部を設けて構成する。図４に示すように、ＳＭＡワイヤ４は、湾曲可能部に存在するＳＭＡワイヤ４上に複数の球状部７０が略等間隔に離散して点在して形成されている。球状部７０では、ＳＭＡワイヤ４と絶縁チューブ６との間が狭くなる構成である。湾曲可能部が湾曲し、ＳＭＡワイヤ４の位置が絶縁チューブ６の中心軸から湾曲中心側へずれる方向に動く場合に、球状部７０によってＳＭＡワイヤ４のずれ量を小さくできる。これにより、絶縁チューブ６の中心軸の位置に沿う湾曲を可能とする。したがって、移動体１の位置のずれる量が低下し、安定した制御が可能となる。
【実施例５】
【００４１】
図５は、本発明の第５の実施例の構成を説明する図である。第１の実施例と重複する内容については説明を省略する。本実施例のＳＭＡワイヤ４は、大きさ（直径）が異なる２つの外形部７１、７２を有している。外形部７１は、外形部７２より小さいものとする。図５に示すように、湾曲可能部にはＳＭＡワイヤ４の外形部７２が配置され、その前後には外径部７１が配置されている。
【００４２】
外形部７２によりＳＭＡワイヤ４と絶縁チューブ６との間が狭くなる構成である。これにより、湾曲可能部が湾曲する際に、ＳＭＡワイヤ４の径方向への可動域が狭くなる。したがって、ＳＭＡワイヤ４の軸の位置と絶縁チューブ６の中心軸の位置とのずれ量が小さくなり、絶縁チューブ６の軸に沿う湾曲を可能とする。したがって、移動体１の位置のずれ量が低下し、安定した制御が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明にかかるＳＭＡアクチュエータは、湾曲させて用いるＳＭＡアクチュエータに有用であり、特に、高い精度で可動端を制御しながら、軽量化、小型化が要求されるＳＭＡアクチュエータに適している。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施例の構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施例の構成を説明する図である。
【図４】本発明の第４の実施例の構成を説明する図である。
【図５】本発明の第５の実施例の構成を説明する図である。
【図６】ＳＭＡアクチュエータの原理を説明する図である。
【図７】ＳＭＡアクチュエータの湾曲について説明する図である。
【図８】ＳＭＡアクチュエータの湾曲とずれ量について説明する図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  移動体
２  バイアスばね
３  筒
４  ＳＭＡワイヤ
５  固定部
６  絶縁チューブ
６１  内径変化部分  
６２  第２の絶縁チューブ
６３  突起部
７０  球状部
７１、７２  外形部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010025079.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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