(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続される第１及び第２の形状記憶合金コイルと、
該形状記憶合金コイルのそれぞれに固定部材を介して接続される駆動部材と、上記形状記憶合金コイルに電流を供給する配線パターンと駆動回路とを有する基板と、を備え、
上記第１及び第２の形状記憶合金コイルと上記駆動部材と上記固定部材とが上記基板と接触することなく、かつ、移動可能に上記基板にほぼ平行に保持され、上記第１及び第２の形状記憶合金コイルの共通電極及び各アース電極が、それぞれ、上記基板の配線パターンに接続され、
上記駆動回路により上記第１及び第２の形状記憶合金コイルが切り替え可能に電流駆動され、該電流が印加される第１または第２の形状記憶合金コイルが、加熱されて収縮することにより上記駆動部材が移動されることを特徴とする、形状記憶合金を用いた駆動装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の形状記憶合金コイルのそれぞれが、自然長の形状記憶合金コイルと引き伸ばされた形状記憶合金コイルとの直列接続からなり、その直列接続部が前記固定部材に接続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を用いた駆動装置。
【請求項３】
前記直列接続される第１及び第２の形状記憶合金コイル、前記駆動部材及び前記配線パターンの複数個が、前記基板の複数の開口部に配置され、上記駆動回路により切り替え可能に電流駆動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を用いた駆動装置。
【請求項４】
前記駆動部材を保持するためのラッチ部をさらに備えたことを特徴とする、請求項１に記載の形状記憶合金を用いた駆動装置。
【請求項５】
前記ラッチ部は、磁石または磁石と磁性体の組み合わせであることを特徴とする、請求項４に記載の形状記憶合金を用いた駆動装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の形状記憶合金を用いた駆動装置を複数個用いて少なくとも点字を１行表示できる点字表示部と、
データを入力して、上記点表示部分に、データに対応する点字を表示する制御用ＣＰＵからなる制御部を有することを特徴とする、形状記憶合金を用いた駆動装置によるディスプレイ装置。
【請求項７】
前記制御用ＣＰＵは、前記データ入力により、デマルチプレクサに信号を送り駆動する１文字の各駆動回路に設けられたアドレッサブル・ ラッチを選択し、それと同時に上記各アドレッサブル・ラッチにどの駆動ピンを駆動するかという信号を送ることにより、所定の形状記憶合金コイルを通電加熱することを特徴とする、請求項６に記載の形状記憶合金を用いた駆動装置によるディスプレイ装置。
【請求項８】
請求項１〜５の何れかに記載の形状記憶合金を用いた駆動装置を複数個２次元に配列した触覚表示部と、
画像データを入力して、上記触覚表示部に、画像データに対応する画像を表示する制御用ＣＰＵからなる制御部を有することを特徴とする、形状記憶合金を用いた駆動装置によるディスプレイ装置。
【請求項９】
前記制御用ＣＰＵは、前記画像データ入力により、デマルチプレクサに信号を送り、駆動部材の各駆動回路に設けられたアドレッサブル・ ラッチを選択し、それと同時に上記各アドレッサブル・ラッチにどの駆動ピンを駆動するかという画像信号を送ることにより、所定の形状記憶合金コイルを通電加熱することを特徴とする、請求項８に記載の形状記憶合金を用いた駆動装置によるディスプレイ装置。
【請求項１０】
所定の寸法の駆動部材を形状記憶合金コイル固定ブロックの孔部の所定の位置に固定する工程と、
上記駆動部材及び第１及び第２の形状記憶合金コイル固定ブロックを導電材料により被覆する工程と、
所定の形状に成形されて導電材料により被覆された上記形状記憶合金コイルを上記形状記憶合金コイル固定ブロックに接続する工程と、
上記形状記憶合金コイル及びその固定ブロックにより接続された駆動部材とを上記基板に予め形成される開口部に挿入し、上記第１及び第２の形状記憶合金コイルの共通電極及び各アース電極を上記基板表面に予め設けられた配線パターンに接続する工程と、
上記形状記憶合金コイルとその固定ブロックと上記駆動部材の各接続部分以外の上記導電材料をエッチングにより除去する工程と、
上記基板に予め形成された配線パターンに駆動回路部品を接続する工程と、
からなることを特徴とする、形状記憶合金を用いた駆動装置の製造方法。
【請求項１１】
前記基板に、さらにラッチ部が形成される工程を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の形状記憶合金を用いた駆動装置の製造方法。
【請求項１２】
前記導電材料は、銅、ニッケルのいずれかまたはこれらの導電材料の組み合わせからなり、上記エッチングがエッチング液により行われることを特徴とする、請求項１０に記載の形状記憶合金を用いた駆動装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は形状記憶合金を用いた駆動装置に関し、特に形状記憶合金を用いたピン駆動装置とそれを用いたピンディスプレイ装置、並びにそれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点字は音声と共に、視覚障害者の重要な情報媒体である。点字は、ひらがななどの文字形状をそのまま点状に示すのではなく、１文字が縦横それぞれ約３ｍｍ程度の大きさ内に設けられた６点の凹凸で表わされている。点字を印刷した点字本においては、１点の直径が約１ｍｍで、高さとして約０．５ｍｍの凸状とした点字が印刷されている。
近年、点字本の場合には情報密度が小さいことと、長期間の使用で凸点が劣化することから、一点字数である６本または８本の触針からなるピンの各ピンを電子的に上下することで、点字を表示する点字ディスプレイ装置の開発が進んでいる。実用的には、この６本の触針を１点字分として、さらに複数の点字が表示されるように、一次元に複数の触針を配列した所謂１指多文字方式などの点字ディスプレイ装置の研究開発がされている。
また、健常者が失明して視覚障害者になった場合は、点字の習得が容易ではない。そのため、多数の触針を２次元配列し、各触針を電子的に上下させることで文字や絵の形をそのまま表示させる２次元接触ディスプレイも研究されている。
【０００３】
従来の点字ディスプレイとしては、電磁力を用いた触覚ディスプレイ装置などが知られている（非特許文献１及び２参照）。
非特許文献１及び２のピンディスプレイ装置に用いられている電磁型アクチュエータは、コイルに電流を流したときに生じる磁界と外部の磁界との相互作用により生じる電磁力によって駆動させている。この電磁力は所謂体積力に比例し、コイルの巻数を多くするほど大きな力を発生する。
しかしながら、非特許文献１及び２のピンディスプレイ装置に用いられている電磁型アクチュエータは、小型化した場合には体積が小さくなり、発生する力は弱くなること及び小型化のためにコイルの配線を細くせざるをえない。この場合にはコイルの電気抵抗が大きくなり消費電力が大きくなることから、小型化には適していない。
【０００４】
また、点字ディスプレイ装置のピンの駆動に圧電素子が使用されている（非特許文献３参照）。非特許文献３の圧電素子を用いたピン駆動装置は、ジルコン酸チタン酸鉛などの材料に外部から電場を印加するときに体積が変化する、所謂圧電効果を利用しているが、圧電効果でピンを１ｍｍ程度上下させるために必要な圧電素子は大きくなるので、ピンの集積密度を高めるには非常に複雑な構造となり、製造が困難でコストが高くなる。
【０００５】
さらに、形状記憶合金にレーザ光を照射し加熱を行うことにより駆動する盲人用触覚ディスプレイが知られている（特許文献１参照）。
図８は、特許文献１に開示されている触覚ディスプレイの構成を示す模式図である。図において、マトリクス状に配列された触針群における一つの触針列７１の任意の触針７３が加熱手段７２により駆動される。ここで、各触針７３は、カバー７４の孔７５から突出可能に配設されて、それらの各触針７３の下端には、ばね状に構成した形状記憶合金からなる第１の支持体７６及び第２の支持体７７の一端をそれぞれ連結すると共に、それらの支持体７６，７７の他端がカバー７４の下面に固定されている。ここで、第１の支持体７６には、触針７３を突出させるための捲回形状を記憶させ、また第２の支持体７７には、触針７３を下動復帰させるための伸張形状を記憶させている。また、加熱手段７２は、レーザ光７９とスキャナー８２などにより構成されている。レーザ光７９からの光がスキャナー８２により、上記の第１の支持体７６または第２の支持体７７を照射することにより、触針が突出するか、または下動する。
【０００６】
上記特許文献１に記載の触覚ディスプレイは、形状記憶合金の加熱源にレーザ光を用い、特定の形状記憶合金を選択するためにスキャナーを使用するために、装置が大型となりまたコストが高い。
その問題点を解決するために構造を改良し、形状記憶合金コイルを用いてピンを駆動する方法がある( 特許文献２参照）。図９は、特許文献２に開示されている形状記憶合金コイル用いてピンを駆動する装置の構成を示す図である。ピン１１１を上昇させるためには、スイッチで配線１５２に電流源を接続し、形状記憶合金コイル１３２に通電する。形状記憶合金コイル１３２は通電加熱されて伸張し、ピン１１１は上昇する。
金属ストッパ１２４が磁石板１６０に十分近づくと、磁石板１６０と金属ストッパ１２４との磁気結合によりピン１１１が固定され、ピン１１１を上の位置に保持するための電流を流し続ける必要がない。ピン１１１を下降させるためには、スイッチを切り替えて配線１５４に電流源を接続し、形状記憶合金コイル１３４に通電する。これにより、形状記憶合金コイル１３４は通電加熱されて伸張し、ピン１１１が下降し、上部ストッパ１２２、および下部ストッパ１２６によってピン１１１は停止する。
しかし、この構造では立体的な組み立てが複雑であり、組み立て時の位置決めが容易でなかった。
【０００７】
【特許文献１】
特公昭６３−２７７１１号（２頁及び第１図）
【特許文献２】
特開２００１−２６５２１３号
【非特許文献１】
M. Shinohara, Y. Shimizu, and A. Mochizuki, "Three-Dimensional
Tactile Display for the Blind", IEEE TRANSACTIONS ON REHABILITATION ENGINEERING, VOL. 6, NO. 3, SEPTEMBER 1998.
【非特許文献２】
山口昌樹、白土悟、鹿野快男、 "触覚用ディスプレイに用いる小型電磁ソレノイドの基礎設計" 、日本応用磁気学会誌 22, 945-948, 1998.
【非特許文献３】
http://www.kgs-jpn.co.jp/piezo.html
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１及び２のピンディスプレイ装置に用いられている電磁型アクチュエータは、小型化した場合には体積が小さくなり、発生する力は弱くなり、小型化に適していないという課題がある。また、小型化のためにコイルの配線を細くせざるをえないが、この場合にはコイルの電気抵抗が大きくなり、消費電力が大きくなるという課題がある。
【０００９】
また、非特許文献３の圧電素子を用いたピン駆動装置は、圧電効果でピンを１ｍｍ程度上下させるために必要な圧電素子は大きくなるので、ピンの集積密度を高くすることは非常に複雑な構造となり、製造が困難で、コストが高くなるという課題がある。
【００１０】
特許文献１の形状記憶合金を用いたピン駆動においては、形状記憶合金の加熱用にレーザと位置操作のためにスキャナーを使用しており、コストが高くなるという課題がある。
【００１１】
特許文献２の形状記憶合金を用いたピン駆動においては、形状記憶合金コイルに直接通電するために、加熱用のレーザ光源は不要となった。しかしながら、形状記憶合金コイルとピンは、上下各４枚の基板に垂直に立設して位置しているために、組み立て時の位置決めが容易でないことと、通電加熱をするための電気配線の処理が煩雑であり、集積化が困難であるという課題がある。
【００１２】
本発明は、以上の点に鑑み、集積化が容易で、かつ、部品点数が少なく組み立てが容易となる、低コストで製造できるようにした形状記憶合金を用いた駆動装置及びそれを用いたディスプレー装置並びにそれらの製造方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明の第一の構成によれば、直列接続される第１及び第２の形状記憶合金コイルと、形状記憶合金コイルのそれぞれに固定部材を介して接続される駆動部材と、形状記憶合金コイルに電流を供給する配線パターンと駆動回路とを有する基板と、を備え、第１及び第２の形状記憶合金コイルと駆動部材と固定部材とが基板と接触せず、かつ、移動可能に基板にほぼ平行に保持され、第１及び第２の形状記憶合金コイルの共通電極及び各アース電極が、それぞれ、基板の配線パターンに接続され、駆動回路により第１及び第２の形状記憶合金コイルが切り替え可能に電流駆動され、電流が印加される第１または第２の形状記憶合金コイルが、加熱されて収縮することにより駆動部材が移動されることを特徴とする、形状記憶合金を用いた駆動装置により達成される。
上記第１及び第２の形状記憶合金コイルのそれぞれは、好ましくは、自然長の形状記憶合金コイルと引き伸ばされた形状記憶合金コイルとの直列接続からなり、直列接続部が固定部材に接続される。
上記構成によれば、形状記憶合金を用いた駆動装置において、基板にほぼ平行して設けられる駆動部材が、第１または第２の形状記憶合金コイルを加熱して収縮することにより移動することができる。
上記形状記憶合金コイルと駆動部材は、基板の表面と平行なので、形状記憶合金コイルの共通電極と各電極を、基板に設けられた配線パターンへの接続だけで駆動装置を構成できるので、製造が容易であり低コストとなる。
【００１４】
上記第１及び第２の形状記憶合金コイルのそれぞれは、好ましくは、自然長の形状記憶合金コイルと引き伸ばされた形状記憶合金コイルとの直列接続からなり、該直列接続部が前記固定部材に接続される。この構成によれば、複数の駆動部材からなる形状記憶合金を用いた駆動装置の組み立てが容易で、かつ、駆動回路への必要最小限の外部配線で済み、集積化が容易になる。
【００１５】
上記形状記憶合金を用いた駆動装置は、好ましくは、駆動部材を保持するためのラッチ部を備えている。このラッチ部は、好ましくは、磁石または磁石と磁性体の組み合わせでなる。この構成によれば、駆動部材を上下に移動させるときに上部及び下部への移動をラッチ部の磁石などにより保持することにより、常時通電しないで上部及び下部への移動状態を維持できるので、通電により生じる電力消費を低減化できる。
【００１６】
また、上記目的は、本発明の第二の構成によれば、上記に記載した形状記憶合金を用いた駆動装置を複数個用いて少なくとも点字を１行表示できる点字表示部と、データを入力して、点字表示部に、データに対応する点字を表示する制御用ＣＰＵからなる制御部を有することを特徴とする形状記憶合金を用いた駆動装置によるディスプレイ装置により、達成される。
上記制御用ＣＰＵは、好ましくは、データ入力により、デマルチプレクサに信号を送り駆動する１文字の各駆動回路に設けられたアドレッサブル・ ラッチを選択し、それと同時に各アドレッサブル・ラッチにどの駆動ピンを駆動するかという信号を送ることにより、所定の形状記憶合金コイルを通電加熱する。
上記構成によれば、本発明の第一の構成による形状記憶合金コイルを用いた駆動により、点字表示部を容易に構成にでき、消費電力が小さく、かつ、表示速度の速い、点字表示用のディスプレイ装置を提供することができる。
【００１７】
また、上記目的は、本発明の第三の構成によれば、上記した形状記憶合金を用いた駆動装置を複数個２次元に配列した触覚表示部と、画像データを入力して、触覚表示部に、画像データに対応する画像を表示する制御用ＣＰＵからなる制御部を有することを特徴とする形状記憶合金を用いた駆動装置によるディスプレイ装置により、達成される。
上記制御用ＣＰＵは、好ましくは、画像データ入力により、デマルチプレクサに信号を送り、駆動部材の各駆動回路に設けられたアドレッサブル・ ラッチを選択し、それと同時に上記各アドレッサブル・ラッチにどの駆動ピンを駆動するかという画像信号を送ることにより、所定の形状記憶合金コイルを通電加熱する。上記構成によれば、本発明の第一の構成による形状記憶合金コイルを用いた駆動により、触覚表示部を容易に構成にでき、消費電力が小さく、かつ、表示速度の速い、触覚表示用の形状記憶合金を用いた駆動装置によるディスプレイ装置を提供することができる。
【００１８】
また、上記目的は、本発明の第四の構成によれば、所定の寸法の駆動部材を形状記憶合金コイル固定ブロックの孔部の所定の位置に固定する工程と、駆動部材及び第１及び第２の形状記憶合金コイル固定ブロックを導電材料により被覆する工程と、所定の形状に成形されて導電材料により被覆された形状記憶合金コイルを形状記憶合金コイル固定ブロックに接続する工程と、形状記憶合金コイル及びその固定ブロックにより接続された駆動部材とを基板に予め形成される開口部に挿入し、第１及び第２の形状記憶合金コイルの共通電極及び各アース電極を基板表面に予め設けられた配線パターンに接続する工程と、形状記憶合金コイルとその固定ブロックと駆動部材の各接続部分以外の上記導電材料をエッチングにより除去する工程と、基板に予め形成された配線パターンに駆動回路部品を接続する工程と、からなることを特徴とする形状記憶合金を用いた駆動装置の製造方法により達成される。
上記形状記憶合金を用いた駆動装置の製造方法において、好ましくは、ラッチ部の形成工程を含む。上記導電材料は、好ましくは、銅、ニッケルのいずれかまたはこれらの導電材料の組み合わせからなり、エッチングがエッチング液により行われる。
上記構成によれば、低コストで集積度の高い、形状記憶合金を用いた駆動装置及びそれを用いたディスプレイ装置を製造することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
最初に、本発明の形状記憶合金を用いた駆動装置の第１の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による第１の実施の形態である形状記憶合金を用いた駆動装置の構成を説明する図であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が断面図である。図において、本発明の形状記憶合金を用いた駆動装置２０は、第１の形状記憶合金コイル１及び第２の形状記憶合金コイル２と駆動部材３と基板４に配設された形状記憶合金コイルの駆動回路１０と、基板４の上端部分に接続するラッチ部９とから構成されている。
第１の形状記憶合金コイル１と第２の形状記憶合金コイル２は直列接続されている。ここで、第１の形状記憶合金コイル１と第２の形状記憶合金コイル２のそれぞれに、駆動部材４が固定部材５を介して接続されている。
基板４はプリント基板などであり、第１の形状記憶合金コイル１と第２の形状記憶合金コイル２が挿入される開口部を有してしる。また、その表面には、第１及び第２の形状記憶合金コイル１，２に電流を供給する配線パターン１１と駆動回路を接続するための配線パターン（図示せず）が設けられている。ここで、第１及び第２の形状記憶合金コイル１，２と駆動部材４と固定部材５と、は基板４に接触することなく、かつ、移動可能に基板４にほぼ平行に保持されている。
【００２０】
図示するように、第１の形状記憶合金コイル１は、上部の自然長部分１ａと、引き伸ばした部分１ｂとが直列接続されて、この部分が第１の形状記憶合金コイルの直列接続部１ｃである。
同様に、第２の形状記憶合金コイル２は、上部の引き伸ばした部分２ｂと、下部の自然長部分２ａとが直列接続されて、この部分が第２の形状記憶合金コイルの直列接続部２ｃである。
ここで、第１の形状記憶合金コイル１の引き伸ばした部分１ｂと第２の形状記憶合金コイル２の引き伸ばした部分２ｂとが接続されて共通電極１５となる。この共通電極１５は、基板４に設けられた共通電極配線パターン１１ａに接続される。
また、第１の形状記憶合金コイル１の自然長部分１ａの一端がアース電極１６となり、基板４に設けられたアース電極配線パターン１１ｂに接続される。さらに、第２の形状記憶合金コイル１の自然長部分２ａの一端がアース電極１７となり、基板４に設けられたアース電極配線パターン１１ｃに接続される。
これにより、共通電極配線パターン１１ａに電流源の一方の端子を接続し、アース電極配線パターン１１ｂに電流源の他方の端子を接続することで、第１の形状記憶合金コイル１を通電し、加熱することができる。また、電流源の他方の端子をアース電極配線パターン１１ｃに接続すれば、第２の形状記憶合金コイル１に通電される。このような第１及び第２の形状記憶合金コイル１，２の通電切り替えは、基板４に設けられる駆動回路１０により行われる。
このようにして、第１及び第２の形状記憶合金コイル１，２への通電は、駆動回路１０により切り替え可能に制御される。
【００２１】
駆動部材３は、第１の形状記憶合金コイル１の接続部１ｃと第２の形状記憶合金コイル２の接続部２ｃとにおいて、それぞれ固定部材５であるコイル固定ブロックにより接続されて、後述するように、形状記憶合金コイルの通電加熱による収縮により駆動される。駆動部材３は、例えば、丸棒や、角棒などの線状部材などを使用できる。
【００２２】
上記形状記憶合金コイル１，２及び各配線パターン１１ａ〜１１ｃ間、及び形状記憶合金コイル１，２と駆動部材３間の接続（１ｃ，２ｃ）は、はんだ付けなどにより行えば、電気的及び機械的接続を良好に実施できる。
【００２３】
ラッチ部９は、本例では基板４の上端に設けられている。このラッチ部９は、鉄板などを用いた２枚の磁性板６と、これらの磁性板６を磁化する磁石７と、駆動部材３に固着される磁性体８とから構成されている。磁石７は、磁性板６，６により挟持されており、これらの磁性板６，６のそれぞれには、駆動部材３が移動できるように対応する位置に貫通孔が設けられている。さらに、駆動部材３には、ニッケルなどの磁性体８によるストッパが固着している。
これにより、駆動部材３が図１（ａ）の矢印（↑）で示すように、上方へ変位、即ち移動したときに、駆動部材３に固着している磁性体８が、磁性板６に吸着されて、駆動部材３を上方へ変位した状態を保持できる。同様に、駆動部材３の下部に設けるラッチ部（図示せず）により、駆動部材３を下方へ変位したときにも保持できる。
なお、図１（ｂ）に示されているように、基板４には、カバー１４が設けられていてもよい。
これにより、駆動部材３を一度、形状記憶合金コイルで上方及び下方へ変位させると、ラッチ部９により保持されるので、形状記憶合金コイルに駆動部材３の変位を保持する電流を流し続ける必要がなくなる。
【００２４】
次に、本発明に用いる形状記憶合金について説明する。
形状記憶合金としては、Ｔｉ−Ｎｉ合金やＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金がよく使用される。形状記憶合金は、加熱により熱エネルギーが運動エネルギーに変換されて元の形状に伸長または収縮する。このときの変位量を大きくするためには、線状よりもコイル状にして使用するのが効果的である。
図２は、形状記憶合金コイルの形状寸法を示す図である。コイルは、ピッチＰ、平均径Ｄ、素線径ｄ、巻き数ｎで、自然長部分でＬ１、引き伸ばされた部分でＬ２という寸法を有している。
ここで、コイルの変位となる歪量（％）の最大値は、次の（１）式で表わされる。
γmax ＝ｄδ／ｎｄ＊（Ｐ2 ＋（πＤ）2 ）-1/2×１００（％）      （１）
ここで、δは、形状記憶合金コイルの自然長からの圧縮量である。
形状記憶合金コイルの加熱による発生力Ｆa は、（２）式で表わされる。
Ｆa ＝πｄ4 ＊（Ｇ1 −Ｇ0 ）／（８ｎＤ2 ）＊（Ｐ2 ＋（πＤ）2 ）-1/2＊δ    （２）
ここで、Ｇ0 及びＧ1 は、それぞれ、室温と加熱（例えば１４０℃）したときの横弾性係数である。
また、形状記憶合金コイルの繰り返し寿命は、コイルに生じている歪量で決定される。コイルの繰り返し寿命は、歪量が１％でおよそ１０6 回程度、２％では１０5 回程度となっている。
したがって、形状記憶合金コイルの形状は、上記式などと、繰り返し寿命を考慮して、その歪量、即ち変位量や発生力を計算すればよい。
【００２５】
本発明の実施の形態の１における形状記憶合金を用いた駆動装置は以上のように構成されており、次のように動作する。
図３は、本発明の第１の実施の形態による形状記憶合金を用いた駆動装置の動作を説明する図であり、（ａ）が加熱しない状態、（ｂ）が形状記憶合金コイル２に通電したとき、（ｃ）が形状記憶合金コイル１に通電したときを示すものである。
図３（ｂ）に示すように、第２の形状記憶合金コイル２においては、電流源１３の正端子が共通電源配線パターン１１ａに接続され、その負端子がアース電極パターン１１ｃに接続されることにより、電流が印加されて第２の形状記憶合金コイル２が、その抵抗と流れる電流によるジュール熱によって発熱する。この発熱により、第２の形状記憶合金コイル２の自然長よりも引き伸ばされた部分２ｂが縮み、自然長部分２ａが引き伸ばされるので、コイル固定ブロック５に接続された駆動部材３は収縮し紙面の上方へ移動する。ここで、電流を停止しても、駆動部材３はラッチ部９（図１）によりその位置が保持される。
【００２６】
次に、図３（ｃ）において、電流源１３の正端子と共通電源配線パターン１１ａとを接続したままで、電流源１３の負端子をアース電極配線パターン１１ｂに切り換えると、第１の形状記憶合金コイル１が加熱される。この発熱により、第１の形状記憶合金コイル１の自然長よりも引き伸ばされた部分１ｂが縮み、自然長部分１ａが引き伸ばされるので、コイル固定ブロック５に接続された駆動部材３は収縮し紙面の下方へ移動する。ここで、電流を停止しても、駆動部材３はラッチ部９（図１）によりその位置が保持される。
したがって、電流源１３の正端子が共通電極配線パターン１１ａに常時接続しているので、電流源１３の負端子をアース電極配線パターン１１ｂ又は１１ｃに切り替えることで、駆動部材３は上下に移動し、図示するようにΔＹという移動即ち変位が生じる。
【００２７】
ΔＹの変位が生じる場合には、ΔＹの差を０か１に対応させることで、二値のデジタル表示に使用することができる。
なお、電流を流さない状態と第１の形状記憶合金コイルまたは第２の形状記憶合金コイルに電流を流すと、それぞれ、ΔＹ１、ΔＹ２という変位が生じる。
この際、図３に示した形状記憶合金を用いた駆動装置２０を、９０°回転させると、駆動部材３の変位は、紙面の左右方向の変位が得られる。この駆動装置２０の配置は、使用目的に応じて変更することができる。
【００２８】
本発明の第１の実施の形態による形状記憶合金を用いた駆動装置２０は、第１及び第２の形状記憶合金コイル１，２と駆動部材３とを基板４上の平面に配置しているので、従来例の特許文献２の形状記憶合金コイルを用いたピンの駆動装置が三次元的な構造であるのに対して、基板１枚で駆動装置が構成できる。このため、部品点数が少なくなり、組み立てが容易にできる。
また、形状記憶合金コイルの駆動装置１０の各部材を基板４上に構成できるので、形状記憶合金コイル１，２の直径をより小さくでき、また、形状記憶合金コイル１，２の抵抗が断面積に逆比例して大きくなるので、加熱に要する電流が減少する。また、形状記憶合金コイル１，２の直径を従来例の特許文献２より小さくできるので、形状記憶合金コイル１，２の熱容量が減り、加熱を短時間で行うことができ、さらに、それと同時に、形状記憶合金コイル１，２の体積と表面積の比( 体積／表面積) が小さくなるので、通電加熱により形状記憶合金コイル１，２内にたまった熱の外気への放熱が速やかに行われる。
これにより、従来の形状記憶合金コイルを用いたピンの駆動装置に対して装置を小型化でき、より少ない電力で、かつ、高速に駆動させることできる。また、低コストで製造できる。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施の形態による形状記憶合金を用いたディスプレイ装置を説明する。
図４は、本発明による第２の実施の形態である形状記憶合金を用いたディスプレイ装置の構成を説明する平面図である。図において、本発明の形状記憶合金を用いたディスプレイ装置３０は、形状記憶合金を用いた駆動装置を複数個用いて少なくとも点字を１行表示できる点字表示部３１と、データ４０を入力して、点字表示部３１に、データに対応する点字を表示する制御用ＣＰＵ（中央演算処理装置）３９からなる制御部４２を備えて構成されている。
ここで、８本の駆動部材３２ａを駆動できる点字表示部３１ａは、表示する点字分だけの複数の基板３１ａ〜３１ｎにより構成される。これは、本発明による第１の実施の形態による形状記憶合金を用いた駆動装置２０において、８本の駆動部材が駆動できるようにした基板に相当する。点字の場合には、駆動部材３２としては、規格により、例えば点字部分が直径１ｍｍのピンを使用する。
【００３０】
制御部４２は、デマルチプレクサ３８と、制御用ＣＰＵ３９からなり、文字のデータ４０は例えばパーソナルコンピュータ４１から入力される。
最初に、パーソナルコンピュータ４１から送られた点字の文字情報データ４０が、形状記憶合金を用いたディスプレイ装置３０の制御部４２の制御用ＣＰＵ３９に送られる。制御用ＣＰＵ３９はデマルチプレクサ３８に信号を送り駆動する１文字（アドレッサブル・ ラッチ）を選択し、それと同時にアドレッサブル・ラッチ３７にどのピンを駆動するかという信号を送る。アドレッサブル・ラッチ３７から出力された信号は、トランジスタアレイ３３，３６により増幅され、形状記憶合金コイル３４，３５を通電加熱する。
【００３１】
アドレッサブル・ラッチ３７は、駆動するピンを１本ずつ指定するが、ピンを指定する速度は速く、また、指定されたピンに流れる電流はラッチされるため、ピンが駆動した後、アドレッサブル・ラッチ３７にクリア信号が送られるまで電流が流れ続ける。従って、見かけ上８ピン（１文字に相当）を同時に駆動することができる。１つの文字を表示するとすぐ隣文字を駆動し、順々に１行の文字を表示していく。
このようにして、基板３１は、１点字の文字数分だけ基板３１ａを積層し、固定することにより８×文字数本のピンの上下を駆動する形状記憶合金を用いたディスプレイ装置３０を実現できる。
この構成によれば、集積化が容易で、低消費電力動作し、高速でピンが駆動される点字用の形状記憶合金を用いたディスプレイ装置を低コストで提供できる。
【００３２】
次に、本発明の第３の実施の形態である形状記憶合金を用いたディスプレイ装置を説明する。
図５は、本発明による第３の実施の形態である形状記憶合金を用いたディスプレイ装置の構成を説明する平面図である。図において、本発明の形状記憶合金を用いたディスプレイ装置５０は形状記憶合金を用いた駆動装置を複数個２次元に配列した触覚表示部５１と、画像データ６０を入力して、触覚表示部５１に、画像データ６０に対応する画像を表示する制御用ＣＰＵ５９からなる制御部６２を備えて構成されている。
ここで、触覚表示部５１は、所定の本数の駆動部材であるピン５２を駆動用の基板５１ａ，５１ｂ・・・５１ｎを複数枚使用して構成されている。各基板は、本発明による第１の実施の形態による形状記憶合金を用いた駆動装置において、所定の本数の駆動部材３が駆動できるようにした基板である。
各基板５１ａ，５１ｂ・・・５１ｎを、画像の画素数分だけ配列することにより、例えば、１基板を８ピンとした場合に、画素数／８の基板をマトリクス状に配列して、４８×４８ピン（２３０４ピン）のピンの上下を駆動する形状記憶合金を用いたディスプレイ装置５０を実現できる。
【００３３】
制御部６２は、デマルチプレクサ５８と、制御用ＣＰＵ５９からなり、画像データ６０は例えばパーソナルコンピュータ４１から入力される。
最初に、パーソナルコンピュータ４１から送られた画像データ６０が、形状記憶合金を用いたディスプレイ装置５０の制御部６２の制御用ＣＰＵ５９に送られる。
制御用ＣＰＵ５９はデマルチプレクサ５８に信号を送り駆動する８画素( アドレッサブル・ ラッチ) を選択し、それと同時にアドレッサブル・ラッチ５７にどのピンを駆動するかという信号を送る。アドレッサブル・ラッチ５７から出力された信号は、トランジスタアレイ５３により増幅され、トランジスタアレイ５３，５６からの出力電流により形状記憶合金コイル５４，５５が通電加熱される。
【００３４】
アドレッサブル・ラッチ５７は、駆動するピンを１本ずつ指定するが、ピンを指定する速度は速く、また、指定されたピンに流れる電流はラッチされるため、ピンが駆動した後、アドレッサブル・ラッチ５７にクリア信号が送られるまで電流が流れ続ける。従って、見かけ上８ピン（８画素に相当）を同時に駆動することができる。
このようにして、画素分だけ基板５１ａをマトリクス配列することにより所望のピンの上下を駆動する形状記憶合金を用いたディスプレイ装置５０を実現できる。この構成によれば、集積化が容易で、低消費電力動作し、高速でピンが駆動される触覚用の形状記憶合金を用いたディスプレイ装置を低コストで提供することができる。
【００３５】
次に、本発明の形状記憶合金を用いた駆動装置の製造方法を図６を参照して説明する。
図６は、本発明の形状記憶合金を用いた駆動装置の製造方法を示す図である。図は、本発明の第１の実施の形態に係る形状記憶合金を用いた駆動装置についての製造工程を説明している。
図６（ａ）に示すように、最初に所定の寸法の駆動部材３となるピンとコイル固定ブロック５を用意する。コイル固定ブロック５はピンが貫通する孔部を有している。所定の本数のピンの各１本に２個のコイル固定ブロック５を所定の位置に挿入し、接着剤で固定する。次に、２個のコイル固定ブロック５付きのピン３を、それぞれ、無電解めっき法により銅めっきを行い、表面に銅を被覆する。
【００３６】
次に、形状記憶合金を第１及び第２の形状記憶合金コイル１，２となる、それぞれ、自然長の形状記憶合金コイル１ａ，２ａが２本と引き伸ばされた形状記憶合金コイル１ｂ，２ｂが２本となるように、所定のコイル形状に成形する。そして、これらの形状記憶合金コイル１，２に、無電解めっき法または電解めっき法により銅めっきを行い、表面に銅を被覆する。
【００３７】
続いて、図６（ｂ）に示すように、コイル固定ブロック５に第１の形状記憶合金コイル１の自然長の形状記憶合金コイル１ａと引き伸ばされた形状記憶合金コイル１ｂのそれぞれ一端をはんだ付けする。同様に、コイル固定ブロック５に第２の形状記憶合金コイル２の自然長の形状記憶合金コイル２ａと伸ばされた形状記憶合金コイル２ｂのそれぞれ一端をはんだ付けする。
【００３８】
次に、ピン３を基板４に形成された開口部１２に挿入し、ピンが自由に駆動できるように、形状記憶合金コイルが配線部以外は、基板に接触しないように固定する。ここで、ピン３は、基板４の開口部１２よりも外部に突出してもよい。また、基板４を筐体に収容したりする場合には、この突出したピン３が基板４や筐体と接触しないように、基板４に適当なスペーサーやカバーを設けて可動可能な状態となるように固定すればよい。
【００３９】
次に、図６（ｃ）に示すように、コイル固定ブロック５に接続された自然長の形状記憶合金コイル１ａ，２ａ及び引き伸ばされた形状記憶合金コイル１ｂ，２ｂの接続されていない他端を、それぞれアース電極配線パターン１１ｂ，１１ｃと、共通電極パターン１１ａとにはんだ付けをする。図６（ｄ）は、図６（ｃ）の平面図である。
これらのはんだ付けににより、第１及び第２の形状記憶合金コイル１，２が、ピン３及び２個のコイル固定ブロック５に接続されると共に、基板４に設けたアース電極配線パターン１１ｂ，１１ｃと共通電源１１ａと、に接続される。
上記のはんだ付けにより、ピン１本分の駆動部３が接続されるが、これを所定のピンの駆動部３においても同様に行う。
次に、ピン３及び形状記憶合金コイル１，２のはんだ付けに使用した以外の不要な銅を、エッチング液に浸して除去する。このエッチングにより、形状記憶合金コイル１，２のはんだ付け部分以外は銅が除去されるので、形状記憶合金コイル１，２の銅めっきにより低下した抵抗が元の抵抗値に回復する。
【００４０】
次に、基板４に設けた駆動回路のパターン部に、駆動回路１０の部品としてのトランジスタアレイ及びアドレッサブル・ラッチ等の集積回路（ＩＣ）をはんだ付けにより接続する。最後に、ラッチ部９を取り付ける。
以上のようにして、本発明の形状記憶合金を用いた駆動装置を製造できる。
【００４１】
次に、本発明の形状記憶合金を用いたディスプレイ装置の製造方法の上記実施の形態の変形例を図７に示す工程図により説明する。
最初に、所定のピンが複数本配置され、駆動回路がついた、形状記憶合金を用いた駆動装置基板を作製する（図６（ａ）〜（ｄ）参照）。
【００４２】
次に、図７（ａ）に示すように、形状記憶合金を用いた駆動装置基板４ａ，４ｂ・・・４ｎを所定の枚数だけ積層して、接着剤などを用いて固定する。
【００４３】
次に、図７（ｂ）に示すように、ラッチ部９を取り付ける。
以上のようにして、本発明の形状記憶合金を用いたディスプレイ装置を製造できる。
【００４４】
次に、上述した本発明の形状記憶合金を用いた駆動装置及びそれを用いたディスプレイ装置並びにそれらの製造方法の実施例を示す。
（実施例１）
図４に示す構造の８ピン１文字の点字を一次元に１０文字表示できる形状記憶合金コイルによる点字ディスプレイ装置を試作した。
形状記憶合金の素材としては、Ｎｉ−Ｔｉを用い、形状記憶合金コイルの寸法としては、線径１５０μｍとし、外形直径が１．６ｍｍ、ピッチ８００μｍ／巻を作製した。ピン３は、直径０．４ｍｍのピアノ線または黄銅線を使用した。ラッチ部９の磁性板６、ストッパとなる磁性体８、永久磁石７は、それぞれ、鉄板、Ｎｉチューブ、ＮｄＦｅＢを使用した。
形状記憶合金コイルによる点字ディスプレイ装置のピンの駆動性能を調べた。このときピン３を動かすのは、形状記憶合金コイルであるため、ピン３の変位によって発生力が変化する。したがって、バネ計りのように変位を生じながら力を測るタイプでは正確な発生力の値を得ることはできないので、変位を生じず、力を計測できるフォースゲージ（ＳＩＮＰＯ社製  ＤＦＧ−０．２Ｋ）を用いて、駆動力を調べた。
１ピン当たり、形状記憶合金コイルに約３００ｍＡを流したときに、形状記憶合金の歪量４．８％で発生力が１４〜１５ｇｆ（グラムフォース）、ピン３の変位量としては２ｍｍ程度で、駆動速度として約１秒が得られた。
このピン３の発生力、変位量及び駆動速度は、点字ディスプレイ装置や触針式ディスプレイ装置での要求されるピンの発生力８ｇｆ及び変位量０．８ｍｍと駆動速度を満足する値であった。
【００４５】
（実施例２）
形状記憶合金の線径を５０μｍ、外径を２００μｍ、自然長の形状記憶合金コイルは密巻、引き伸ばした形状記憶合金コイルのピッチを約１１０μｍとした以外は、実施例１と同じ８ピン１文字の形状記憶合金コイルによる点字ディスプレイ装置を試作した。
１ピン当たり、形状記憶合金コイルに約８０ｍＡを流したときに、形状記憶合金の歪量４．８％で発生力が１４〜１５ｇｆ、ピン３の変位量としては２ｍｍ程度で、駆動速度として約０．１秒が得られた。このピン３の発生力、変位量及び駆動速度は、点字ディスプレイ装置や触針式ディスプレイ装置で要求されるピンの発生力８ｇｆ及び変位量０．８ｍｍと駆動速度を満足する値であった。
この実施例２を実施例１と比較すると、形状記憶合金の線径を１５０μｍから５０μｍに細くしたので、断面積が１／９となり抵抗が９倍となり、ジュール熱は約１／３の電流値で得られたので、低電力動作すると共に、表面積／体積の比が小さくなり加熱、放熱の時定数が短くなり高速で動作するようになった。
【００４６】
（実施例３）
実施例２と同様な形状記憶合金コイルを使用して、ディスプレイ装置を製作した。ピンの駆動装置は、ピン間隔を広げ縦横間隔を２．４ｍｍ、２．５ｍｍとして、ピン数を８列にした基板を２枚積層し、１６ピンのモジュールとした。
制御回路は、８ピン毎に制御するために２組配置した。１モジュールは、基板とカバーがそれぞれ２枚であり、合計計４枚の基板で構成した。このモジュールの大きさは、縦６０ｍｍ、横２０ｍｍ、高さ４．８ｍｍである。
この実施例３のディスプレイ装置の制御回路にパーソナルコンピュータ４１から画像信号を送り駆動させた。各ピンは独立に上下に駆動し、また、これらのピンの動作電流及び動作速度は実施例２で得られた特性と比較すると、ほぼ同等に動作し、ほとんど差は見られなかった。
【００４７】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。形状記憶合金コイルの寸法と駆動部材、ピンの駆動方法などは、その目的に応じて適宜に設計し、製作すればよいことはいうまでもない。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、形状記憶合金コイルを用いた駆動装置において、形状記憶合金コイルが基板平面に電気的及び機械的に接続されるとともに、形状記憶合金コイルに固定し駆動される駆動部材が基板の開口部に保持されるので、平面的に構成されることにより、小型化されるので集積化が容易となり、低コストで製造できる。
また、細い形状記憶合金コイルが使用できるので、低電流動作により低消費電力化でき、さらに、表面積／体積の比が小さくなり加熱、放熱の時定数が短くなり高速で動作する。
【００４９】
上記の形状記憶合金コイルを用いた駆動装置を用いる点字ディスプレイ装置や触覚ディスプレイ装置は、上記の形状記憶合金コイルを用いた駆動装置をモジュール化して、一次元または二次元配置をすることで容易に製作でき、低消費電力で、かつ、高速に動作する。
【００５０】
このようにして、本発明によれば、簡単な構成により、形状記憶合金コイルの駆動特性を向上させて、低コストで構成することができるようにした、極めて優れた形状記憶合金を用いた駆動装置及びそれを用いたディスプレイ装置並びにそれらの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による形状記憶合金を用いた駆動装置の構成を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】形状記憶合金コイルの形状寸法を示す図である。
【図３】上記第１の実施の形態の形状記憶合金を用いた駆動装置の動作を説明する図であり、（ａ）が加熱しない状態、（ｂ）が形状記憶合金コイル２に通電したとき、（ｃ）が形状記憶合金コイル１に通電したときを示している。
【図４】本発明の第２の実施の形態による形状記憶合金を用いたディスプレイ装置の構成を説明する平面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態による形状記憶合金を用いたディスプレイ装置の構成を説明する平面図である。
【図６】本発明の形状記憶合金を用いた駆動装置の製造方法を示す図である。
【図７】本発明の形状記憶合金を用いた駆動装置の製造方法の変形例である、形状記憶合金を用いたディスプレイ装置についての製造工程を説明している。
【図８】従来の触覚ディスプレイの構成を示す模式図である。
【図９】従来の形状記憶合金コイルを用いたピン駆動装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，３４，５４    第１の形状記憶合金コイル
２，３５，５５    第２の形状記憶合金コイル
１ａ，２ａ    形状記憶合金コイルの自然長部分
１ｂ，２ｂ    形状記憶合金コイルの引き伸ばされた部分
１ｃ      第１の形状記憶合金コイルの直列接続部
２ｃ      第２の形状記憶合金コイルの直列接続部
３，３２，５２    駆動部材（ピン）
４    基板
５    固定部材（コイル固定ブロック）
６    磁性板
７    永久磁石
８    磁性体
９    ラッチ部
１０    駆動回路
１１    配線パターン
１１ａ  共通電極配線パターン
１１ｂ，１１ｃ  アース電極配線パターン
１２    開口部
１３    電流源
１４    カバー
１５    共通電極
１６，１７    アース電極
２０    形状記憶合金を用いた駆動装置
３０，５０    形状記憶合金を用いたディスプレイ装置
３１    基板（点字表示部）
３３，３６，５３，５６    トランジスタアレイ
３７，５７    アドレッサブルラッチ
３８，５８    デマルチプレクサ
３９，５９    制御用ＣＰＵ
４０    データ
４１    パーソナルコンピュータ
４２，６２    制御部
５１    基板（触覚表示部）
６０    画像データ
【図１】
0003684552.tif 000002
【図２】
0003684552.tif 000003
【図３】
0003684552.tif 000004
【図４】
0003684552.tif 000005
【図５】
0003684552.tif 000006
【図６】
0003684552.tif 000007
【図７】
0003684552.tif 000008
【図８】
0003684552.tif 000009
【図９】
0003684552.tif 000010