(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チューブ部材内に挿通され、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、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の伸縮によって形状記憶合金ワイヤの長さ変化方向に移動される移動体と、
前記形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に外力を負荷する弾性部材と、
を有する形状記憶合金アクチュエータであって、
前記チューブ部材の外径または前記移動体の外径よりもその外径が小さく、前記移動体の移動に伴って移動される磁性部と、
電圧を供給する励磁コイルと、前記磁性部との相対位置に応じて変化する電圧を出力する検出コイルとから構成される複数のコイルと、を有する磁気センサを具備し、
前記形状記憶合金アクチュエータでは、通電によりその長さが変化しないワイヤ部材が移動体に接続されており、
当該ワイヤ部材に前記磁性部が配設されてい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】
前記磁性部は、前記ワイヤ部材に磁性材料がコーティングされて構成され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】
チューブ部材内に挿通され、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、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の伸縮によって形状記憶合金ワイヤの長さ変化方向に移動される移動体と、
前記形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に外力を負荷する弾性部材と、
を有する形状記憶合金アクチュエータであって、
前記チューブ部材の外径または前記移動体の外径よりもその外径が小さく、前記移動体の移動に伴って移動される磁性部と、
電圧を供給する励磁コイルと、前記磁性部との相対位置に応じて変化する電圧を出力する検出コイルとから構成される複数のコイルと、を有する磁気センサを具備し、
前記磁性部は、前記形状記憶合金ワイヤに磁性材料がコーティングされて構成され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４】
前記コイルは円筒形状を有し、
前記移動体に接続されている前記磁性部の移動軸と、前記円筒形状のコイルの中心軸とが同軸であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項５】
前記励磁コイル及び前記検出コイルは、前記移動体の移動方向に沿って直列的に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項６】
前記検出コイルは、第１の検出コイルと、第２の検出コイルと、からなり、
前記第１の検出コイルと、前記第２の検出コイルと、の間に、前記励磁コイルが配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項７】
前記励磁コイルと前記検出コイルとは、少なくとも前記移動体の移動方向に関して相互に離間して配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項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。
【背景技術】
【０００２】
形状記憶合金にはオーステナイト相とマルテンサイト相の状態が存在し、温度が低いときはマルテンサイト相に、高いときはオーステナイト相に変化するという特性がある。
【０００３】
そして、特にマルテンサイトからオーステナイトに遷移（逆変態）するとき、わずかな温度差で大きな歪回復力を生じる。形状記憶合金アクチユエータは、この歪回復力を利用したものである。
【０００４】
このような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、軽量化などの面において優れた特性を持っている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、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をとり、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によって、可動端を駆動する技術が記載されている。
【０００６】
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（図７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平５−８７６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、形状記憶合金には、通電加熱による形状記憶合金の温度変化によって、それに対応したひずみ量が発生しており、このようなひずみ量を検出したい場合、すなわち、例えば特許文献１に記載されている形状記憶合金アクチュエータ（図７参照）において、可動端（作動子１９）の位置を精度良く検出しようとする場合には、可動端（作動子１９）周辺に位置を検出するための位置センサを配置する必要がある。
【０００９】
しかしながら、このような可動端（作動子１９）の位置を検出するための位置センサを、別途、形状記憶合金アクチュエータの外側に搭載する場合には、形状記憶合金アクチュエータのサイズや重量等が嵩み、使用上やレイアウト上の制約などが大きくなるなど採用し難いといった実情がある。
【００１０】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであって、アクチュエータ伸縮方向に対し垂直な断面方向への拡がりを抑える構成でありながら、アクチュエータとしての機能に加え、高精度に移動体の移動量や位置に関する情報を取得することができる形状記憶合金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】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータは、
チューブ部材内に挿通され、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、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の伸縮によって形状記憶合金ワイヤの長さ変化方向に移動される移動体と、
形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に外力を負荷する弾性部材と、
を有する形状記憶合金アクチュエータであって、
チューブ部材の外径または移動体の外径よりもその外径が小さく、移動体の移動に伴って移動される磁性部と、
電圧を供給する励磁コイルと、磁性部との相対位置に応じて変化する電圧を出力する検出コイルとから構成される複数のコイルと、を有する磁気センサを具備し、
形状記憶合金アクチュエータでは、通電によりその長さが変化しないワイヤ部材が移動体に接続されており、
当該ワイヤ部材に磁性部が配設されていることを特徴とする。
また、本発明に係る別の形状記憶合金アクチュエータは、
チューブ部材内に挿通され、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、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の伸縮によって形状記憶合金ワイヤの長さ変化方向に移動される移動体と、
形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に外力を負荷する弾性部材と、
を有する形状記憶合金アクチュエータであって、
チューブ部材の外径または移動体の外径よりもその外径が小さく、移動体の移動に伴って移動される磁性部と、
電圧を供給する励磁コイルと、磁性部との相対位置に応じて変化する電圧を出力する検出コイルとから構成される複数のコイルと、を有する磁気センサを具備し、
磁性部は、形状記憶合金ワイヤに磁性材料がコーティングされて構成されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様によれば、コイルは円筒形状を有し、
移動体に接続されている磁性部の移動軸と、円筒形状のコイルの中心軸とが同軸であることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様によれば、励磁コイル及び検出コイルは、移動体の移動方向に沿って直列的に配置されていることが望ましい。
【００１４】
また、本発明の好ましい態様によれば、検出コイルは、第１の検出コイルと、第２の検出コイルと、からなり、
第１の検出コイルと、第２の検出コイルと、の間に、励磁コイルが配置されていることが望ましい。
【００１７】
また、本発明の好ましい態様によれば、磁性部は、ワイヤ部材に磁性材料がコーティングされて構成されることが望ましい。
【００１９】
また、本発明の好ましい態様によれば、励磁コイルと検出コイルとは、少なくとも移動体の移動方向に関して相互に離間して配置されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、アクチュエータ伸縮方向に対し垂直な断面方向への拡がりを抑える構成でありながら、アクチュエータとしての機能に加え、高精度に移動体の移動量や位置に関する情報を取得することができる形状記憶合金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】
【００２１】
【図１】本発明の実施例１に係る形状記憶合金アクチュエータの全体構成を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施例２に係る形状記憶合金アクチュエータの全体構成を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施例３に係る形状記憶合金アクチュエータの全体構成を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施例４に係る形状記憶合金アクチュエータの全体構成を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施例５に係る形状記憶合金アクチュエータの全体構成を概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施例６に係る形状記憶合金アクチュエータの全体構成を概略的に示す断面図である。
【図７】従来の形状記憶合金アクチュエータの全体構成を概略的に示す一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータの一実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。但し、以下で説明する実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、以下で説明する実施例間において共通する要素については、同一の符号を付して説明することとする。
【００２３】
（実施例１）
図１は、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータの実施例１の全体構成を示す図である。
図１に示すように、実施例１の形状記憶合金アクチュエータ１００を構成する形状記憶合金ワイヤ１１は、外部との絶縁をとるためのチューブ部材１２に挿通され、その一端は固定部材１３に接続されている。
【００２４】
他端は移動体１４に接続されており、形状記憶合金ワイヤ１１の両端に電流を印加し、通電加熱を行うことによって形状記憶合金ワイヤ１１が変態温度に到達し、形状記憶合金ワイヤ１１が変形（この場合は長さが縮む）することによって移動体１４が変形に応じて移動される。
【００２５】
形状記憶合金ワイヤ１１は通電加熱で収縮するが、冷却して加熱前の長さに戻るには、形状記憶合金ワイヤ１１が伸びる方向に力が作用するバイアスばね１５の作用によって形状記憶合金ワイヤ１１が伸長される。
【００２６】
バイアスばね１５は座屈せず、かつ形状記憶合金ワイヤ１１がバイアスばね１５の内径中心を通るようにチューブ部材１２の固定部材１３とは反対側に配置された筒部材１６に挿入されている。
【００２７】
筒部材１６には、筒部材１６の長手方向に並んで２つのコイル１７、１８が巻き付けられている。このように、移動方向にコイルが直列的に配置されていることで、アクチュエータ外径を小さくすることが出来る。
【００２８】
また、移動体１４には筒部材１６（及びバイアスばね１５の内径）に挿入できる磁性部材１９が接続されている。磁性部材１９は、本発明に係る磁性部の一例であって、磁性材料により構成され、その直径が筒部材１６及びバイアスばね１５の内径（またはチューブ部材１２）より小さい直径であり、移動体１４とその移動方向に直列に配置されている。
【００２９】
移動体１４側のコイル１７を励磁コイル、他方のコイル１８を検出コイルとすると、励磁コイル１７を交流（一定周波数電圧）で励磁すると、検出コイル１８側には検出コイルに対する磁性部材１９の相対位置に応じた誘起電圧が発生するので、この電圧を取り出すことによって位置検出が可能である。
【００３０】
すなわち、図１に示したように、形状記憶合金ワイヤ１１の伸縮により、移動体１４に連結された磁性部材１９が検出コイル１８に対して相対的に移動するため、この相対的な移動に応じて生じる誘起電圧を検出することで、移動体１４の位置を検出することができる（励磁コイル１７には常に磁性部材１９が挿通されている）。
【００３１】
ここにおいて、本実施例の励磁コイル１７、検出コイル１８、磁性部材１９が、本発明に係る磁気センサの一部を構成している。
【００３２】
一般的に移動体１４の位置を検出するには、形状記憶合金アクチュエータの外部に位置センサを設けて、移動体１４の位置を検出することになるが、これでは位置センサを形状記憶合金アクチュエータの外部に設置することとなり、形状記憶合金アクチュエータのサイズが大きくなる。
【００３３】
これに対して、本実施例で例示したように、形状記憶合金アクチュエータ１００を構成している部材内部に磁性部材１９を配置し、その外周にコイル１７、１８を配設することによって位置検出センサを構築できるため、サイズの拡大を避けることができる。
【００３４】
本実施例では、磁性部材１９を移動体１４に取り付けているがこれに限らず移動体１４と直列に配置されていれば良く、移動体１４に接続されている形状記憶合金ワイヤ１１と一体的にコイル１７、１８の近傍に接続されていても良い。
【００３５】
また、励磁コイル１７と検出コイル１８とは、少なくとも移動体１４の移動方向に関して相互に離間して配置されていることが望ましい。このように離間して配置することによって、配置できる場所に関する自由度が増し、更にサイズを抑えることが出来る。
【００３６】
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。
図２は、実施例２に係る形状記憶合金アクチュエータ２００の構成例を示しているが、実施例２は実施例１に対する変形例に相当する。
【００３７】
図１に示した実施例１では、バイアスばね１５は、ばねが圧縮された場合に形状記憶合金ワイヤ１１が伸びる向きに荷重が加わる圧縮ばねであったが、これに限らず引っ張りばねを用いても構わない。
【００３８】
従って、実施例２では、図２に示したように、バイアスばね１５として引っ張りばねを用いている。このように、バイアスばね１５として引っ張りばねを使用すれば、磁性部材１９は円柱状（円筒状ではない）とすることができ、形状記憶合金ワイヤ１１を磁性部材１９に通すことがなくなるため、組み立てが容易になる。
【００３９】
（実施例３）
図３は、本発明の実施例３を示したものである。
図３に示すように、本実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ３００では、２つの検出コイル３０２、３０３が、励磁コイル３０１をこれらの間に挟むように配設されている。このような構成にすれば、それぞれの検出コイル３０２、３０３に対する磁性部材１９の相対位置に対応した電圧がそれぞれ出力されるため、これら２つの出力差を位置情報とすることで、更に高精度な位置検出が可能になる。
【００４０】
（実施例４）
図４は、本発明の実施例４を示したものである。
図４に示すように、本実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ４００は、形状記憶合金ワイヤ１１は接合部４０１を介してワイヤ部材（非変形部）４０２と接続され、形状記憶合金ワイヤ１１はチューブ部材１２に内包されるように配置されている。
このようにワイヤ部材を配置することにより、コイルから熱源である形状記憶合金ワイヤを離すことができる。そのために、温度上昇に起因するコイル配線の抵抗値変化がなくなるため、より位置検出精度が向上する。
【００４１】
ワイヤ部材４０２は、温度変化に応じて長さが大きく変化しない（線熱膨張率が小さい）非変形部として機能するもので、例えば、一般的な金属製ワイヤ或いは棒状要素や線状要素の他、樹脂製等のワイヤ或いは棒状要素や線状要素など所定の曲げ剛性（座屈耐性）を有するワイヤ部材を採用することもできる。ここにおいて、本実施例のワイヤ部材４０２が、本発明に係るワイヤ部材に相当する。
【００４２】
なお、接合部４０１の周囲は、パイプ部材４０３により包囲され、パイプ部材４０３の両端は、それぞれ、分割されたチューブ部材１２の対応する外周に挿通されている。
【００４３】
ワイヤ部材４０２の他端は移動体１４に接続され形状記憶合金ワイヤ１１の通電加熱による収縮に伴い、ワイヤ部材４０２に接続された移動体１４が移動する。
【００４４】
このような構成にすれば、形状記憶合金ワイヤ１１のような熱源をコイル（励磁コイル３０１、２つの検出コイル３０２、３０３）から離して配置することが可能となり、温度上昇からくるコイル配線の抵抗値上昇が抑えられるため、磁性部材１９からの誘起電圧を精度良く取り出すことができるようになるため、位置検出精度の向上につながる。
【００４５】
ここにおいて、本実施例の励磁コイル３０１、検出コイル３０２、３０３、磁性部材１９が、本発明に係る磁気センサの一部を構成している。
【００４６】
また、形状記憶合金ワイヤ１１の通電加熱のための導線４０４を接合部４０１から供給すれば、移動体１４を拘束する配線がなくなるため、移動体１４を更にスムーズに動作させることができる。
【００４７】
更に、図示していないが、図４で示した磁性部材１９を省略し、その代わりにワイヤ部材４０２の対応する部位に磁性材料をコーティングまたはメッキなどして適用することで更なる細径化を図ることが可能である。
【００４８】
例えば、実施例１から実施例３において説明した形状記憶合金ワイヤ１１に磁性材料をコーティングまたはメッキなどして磁性部材１９を省略することも想定されるが、かかる場合には、磁性材料には形状記憶合金ワイヤ１１の収縮に応じて収縮しかつ容易には剥離等しないことなどが要求されるため、コーティングまたはメッキできる磁性材料が限られることになる。
【００４９】
しかし、本実施例の場合には、ワイヤ部材４０２は直接加熱されず伸縮も少ないので磁性材料の選択は比較的容易であると共に、コーティングしたい材料に合わせてワイヤ部材４０２を選定することも可能であるため、誘起電圧を発生させやすい材料が選定可能であり、位置センサの精度の向上にも貢献することができる。
【００５０】
このように、検出コイル３０２、３０３やワイヤ部材４０２の温度上昇を抑制するため、接合部４０１としては、例えば、形状記憶合金ワイヤ１１側からワイヤ部材４０２側へ熱が伝達し難いように（或いは伝達しても伝導し難いように）、熱伝達率（或いは／及び熱伝導率）の小さい材料（例えば、セラミックなど）を含んで構成されることが望ましい。
【００５１】
（実施例５）
図５は、本発明の実施例５を示したものである。
図５に示すように、本実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ５００においては、形状記憶合金ワイヤ１１の移動体１４側の一部に、磁性材料がコーティングまたはメッキなどにより適用されている。
このように、形状記憶合金ワイヤの一部に磁性材料をコーティングやメッキ等によって適用することによって、更なる細径化が可能になる。
【００５２】
形状記憶合金ワイヤ１１にコーティング等によって磁性材料を適用することによって、実施例１から実施例３で説明した磁性部材１９を省略でき、該当部分の直径を更に細くすることができるので、筒部材１６およびバイアスばね１５の直径を小さくすることが可能になるので更なる細径化が可能になる。
【００５３】
ここにおいて、本実施例において磁性材料を適用した部分が、本発明に係る磁性部の一例に相当する。
【００５４】
形状記憶合金ワイヤ１１にコーティングやメッキ等により適用可能な磁性材料としては、例えば、ニッケル等が想定される。
【００５５】
（実施例６）
図６は、本発明の実施例６を示したものである。
図６に示すように、本実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ６００では、形状記憶合金アクチュエータを構成しているワイヤ部材４０２の一部（磁性部６０１）に磁性材料（例えば、ニッケル等）がコーティングやメッキ等により適用されている。
このように、ワイヤ部材等のワイヤ部材に、磁性材料をコーティングやメッキ等によって適用することによって更なる細径化が可能となる。また、より特性の高い（誘起電圧が発生しやすい）材料を適用材料として選定し、それに応じてワイヤ部材等のワイヤ部材が選定できるため、より位置検出精度を向上させることができる。
【００５６】
ここにおいて、本実施例において磁性材料を適用した部分が、本発明に係る磁性部の一例に相当する。
【００５７】
これによって、磁性部に対応して配設されるコイル（磁気センサ：励磁コイル３０１、検出コイル３０２）を必ずしも移動体１４近傍に配置する必要はなくなるので、図６に示すように、磁性部６０１の周囲を包囲するチューブ部材１２の両端側に２つのコイル（励磁コイル３０１、検出コイル３０２）を所定に離して配置することも可能になる。
【００５８】
このようにすれば、磁気センサそのものの外径が小さくなるので、形状記憶合金アクチュエータの外径も大きくならない。なお、形状記憶合金ワイヤに磁性材料を適用した図５の例においても、磁気センサ部分に関して、図６と同様の構成をとることも可能である。
【００５９】
以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータは、アクチュエータ伸縮方向に対し垂直な断面方向への拡がりを抑える構成でありながら、アクチュエータとしての機能に加え、高精度に移動体の移動量や位置に関する情報を取得することができ有用である。
【符号の説明】
【００６１】
１１      形状記憶合金ワイヤ
１２      チューブ部材
１３      固定部材
１４      移動体
１５      バイアスばね
１６      筒部材
１７      コイル（励磁コイル）
１８      コイル（検出コイル）
１９      磁性部材
１００    形状記憶合金アクチュエータ（実施例１）
２００    形状記憶合金アクチュエータ（実施例２）
３００    形状記憶合金アクチュエータ（実施例３）
３０１    コイル（励磁コイル）
３０２    コイル（検出コイル）
３０３    コイル（検出コイル）
４００    形状記憶合金アクチュエータ（実施例４）
４０１    接続部
４０２    ワイヤ部材
４０３    パイプ部材
４０４    導線
５００    形状記憶合金アクチュエータ（実施例５）
６００    形状記憶合金アクチュエータ（実施例６）
６０１    磁性部
【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】
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【図６】
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【図７】
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