(57)【要約】【課題】  本発明では、極めて簡素な構造で正逆方向の切替などの取り扱いも容易な回転型ＳＭＡアクチュエータを提供することを目的とする。【解決手段】  形状記憶合金の両端が電圧源に接続して固定され、形状記憶合金の中央部の接続点では金属バネの一端と機械的且つ電気的に接続され、金属バネの他端はグランドに接続して固定され、接続点に回転子と接触する接触子を具備している。形状記憶合金の両端から等値の直流電圧が非同期に印加されることにより形状記憶合金のリニア変位が接続点において回転変位に変換され、回転子が接触子と接触することにより回転する。【発明の効果】  簡素な構造で形状記憶合金のリニア変位を回転変位に変換でき、簡単な駆動電源で超低速ステッピング回転を実現できる。【選択図】  図１
2008202411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加された直流電圧によって収縮する形状記憶合金と、金属バネと、回転子からなる回転型ＳＭＡアクチュエータにおいて、
前記形状記憶合金の両端が電圧源に接続して固定され、
前記形状記憶合金の中央部の接続点では金属バネの一端と機械的且つ電気的に接続され、
前記金属バネの他端はグランドに接続して固定されており、
前記接続点に前記回転子と接触する接触子を具備し、
前記形状記憶合金の両端から等値の直流電圧が非同期に印加されることにより前記形状記憶合金のリニア変位が前記接続点において回転変位に変換され、
前記回転子は前記接触子と接触することにより回転することを特徴とする回転型ＳＭＡアクチュエータ。
【請求項２】
前記形状記憶合金が１本または２本からなることを特徴とする請求項１に記載の回転型ＳＭＡアクチュエータ。
【請求項３】
前記形状記憶合金がワイヤ状またはコイル状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転型ＳＭＡアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転型形状記憶合金（ＳＭＡ）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（以下、ＳＭＡ；Ｓｈａｐｅ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｌｌｏｙの略）は、標準状態（大気中、２５℃、加熱させない状態とする）においては柔らかくナイロン糸のようにしなやかだが、温度上昇とともにピアノ線のように強靭になり、強い力で収縮する。また、再び温度を低下させると、柔らかく元の長さに戻るという性質がある。この可逆的で直線的な変形は、外部周囲温度や通電加熱、光による加熱などで、何度でも繰り返すことができる。そのため、この性質を利用して、従来から大変位なアクチュエータやマニピュレータなどへの応用が行われてきた。
【０００３】
従来の回転型ＳＭＡアクチュエータは、クロス掛けのＳＭＡベルトを温水と冷水によって伸縮させて、連続的な回転運動を取り出す方法（詳細は、特許文献１参照）や３つ以上のＳＭＡに時間差を持たせて通電加熱して、伸縮するタイミングをずらすことによって、回転運動を得る方法（詳細は、特許文献２参照）などの様々な方法が提案されてきた。
【特許文献１】特公昭６１−０５８６６９号公報
【特許文献２】特開２００５−２０７４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前者の方法の場合には、温水、冷水などの環境温度差を利用するため取扱い難く、正逆方向の切替も容易ではなかった。また、このような場合には、装置が大きくなり、近年の小型化への要求に対応する物ではなかった。後者においては、３つ以上のＳＭＡをそれぞれ制御しなければならないことや、ＳＭＡが増える分だけ構造が複雑になるため、より制御しやすい簡素な構造のものが求められている。
【０００５】
そこで、本発明では、極めて簡素な構造で正逆方向の切替などの取り扱いも容易な回転型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】
本発明の回転型ＳＭＡアクチュエータは、印加された直流電圧によって収縮する形状記憶合金と、金属バネと、回転子からなり、形状記憶合金の両端が電圧源に接続して固定され、形状記憶合金の中央部の接続点では金属バネの一端と機械的且つ電気的に接続され、金属バネの他端はグランドに接続して固定され、接続点に回転子と接触する接触子を具備している。形状記憶合金の両端から等値の直流電圧が非同期に印加されることにより形状記憶合金のリニア変位が接続点において回転変位に変換され、回転子が接触子と接触することにより回転することによって上記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、極めて簡素な構造で形状記憶合金のリニア変位を回転変位に変換することが可能であり、簡単な駆動電源で超低速ステッピング回転を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の回転型ＳＭＡアクチュエータは、両端を固定された１本の形状記憶合金は、その中央部に接触子が設けられ、２部分に分割される。金属バネの一端をグランドに固定して、もう一端を上記の形状記憶合金の中央部に接続することにより、金属バネと形状記憶合金が対称なＹ字のような配置で固定される。
【０００９】
金属バネに接続される形状記憶合金の中央部もグランドされ、形状記憶合金の分割される２部分は、それぞれ固定されている側の印加電圧によって伸縮する。形状記憶合金の両端に等値の直流電圧を非同期にＯＮ／ＯＦＦすることより、形状記憶合金のリニア変位は形状記憶合金の中央部においてループ変位へ変換され回転動作を得る。
【実施例】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明の回転型ＳＭＡアクチュエータの第１の実施例の構造図である。両端を固定点５ａ、５ｂに固定された１本の形状記憶合金１が中央部に設けられた接触子４により、等長の２部分（１ａ、１ｂ）として分割される。または、２本の等長の形状記憶合金ワイヤを接続しても良い。さらに、金属バネ３の一端を固定点５ｃに固定して、もう一端を上記の中央部（または、２本の等長の形状記憶合金の接続部）に接続することにより、金属バネ３と形状記憶合金１が対称なＹ字のような配置で固定される。
【００１１】
金属バネ３は固定点５ｃにおいてグランドされている。故に、金属バネ３に接続される形状記憶合金１の中央部（または、２本の等長の形状記憶合金の接続部）もグランドされることになる。従って、固定点５ａ、５ｂから形状記憶合金１の両端にそれぞれ等値の直流電圧Ｖａ、Ｖｂが印加された場合、電圧Ｖａによる通電加熱では形状記憶ワイヤ１ａが伸縮し、電圧Ｖｂによる通電加熱では形状記憶ワイヤ１ｂが伸縮する。
【００１２】
形状記憶合金１と金属バネ３の接続部には、回転子を回転させるための接触子４が形成されている。接触子４は、回転子と接触したときに回転子を変位させる摩擦力を得られるならば、金属やプラスチックやゴムなど何を用いても良い。固定点５ｃと接触子４を通る直線上に、プーリー（回転体）６の中心部が通るようにプーリー６が配置される。さらに、リング状ゴム７を被せたプーリー６の一部が固定点５ａ、５ｂと接触子４がなす三角形の内側の領域（図１の斜線領域）に侵入するように配置される。ここで、接触子４はリング状ゴム７との接触駆動部材として使われる。
【００１３】
次に、本発明の回転型ＳＭＡアクチュエータの動作について説明する。図２は、本発明の回転型ＳＭＡアクチュエータの反時計回りの回転動作を示す模式図である。また、図３は、図２の動作をする場合の形状記憶合金ワイヤ両端の通電パターンである。図２と図３の符号（ａ）〜（ｃ）は、通電状態を示したものでそれぞれ対応している。
【００１４】
まず、図２（ａ）に示す固定点５ａ、５ｂから印加した電圧Ｖａ＝Ｖｂ＝０の場合、形状記憶合金１が金属バネ３に引っ張られ、形状記憶合金１と金属バネ３は金属バネ３を軸にした対称的なＹ字を形成する。
【００１５】
次に、固定点５ａからのみ電圧Ｖａを印加すると、形状記憶合金ワイヤ１ａのみが収縮して、接触子４は固定点５ａ側に引き寄せられる。形状記憶合金ワイヤ１ａが充分に収縮すると、図２（ｂ）に示すように接触子４がリング状ゴム７の左側のマーク２の位置に圧着される。
【００１６】
さらに、固定点５ｂからも電圧Ｖｂを印加すると、形状記憶合金ワイヤ１ｂも収縮が始まり、接触子４は形状記憶合金１ａ、１ｂが等長になるところまで固定点５ｂ側へ引き寄せられる。接触子４が引き寄せられるとともに、接触子４との圧着部（図２（ｃ）のマーク２位置）も固定点５ｂ側へと移動する。従って、リング状ゴム７とその内部にあるプーリー６は、反時計回り方向に変位することとなる。
【００１７】
そして、再び（ａ）の状態（Ｖａ＝Ｖｂ＝０）にすると、形状記憶合金ワイヤ１ａ、１ｂは元の長さまで伸び、金属バネ３の張力により最初の位置に戻る。接触子４は、リング状ゴム７から離れてしまうため、リング状ゴム７とプーリー６は変位した位置から始めの位置に戻ることがない。つまり、形状記憶ワイヤ１の両端１ａ、１ｂから印加電圧ＶａとＶｂを非同期にＯＮ／ＯＦＦすることより、形状記憶合金のリニア変位を接触子４のループ変位へ変換して回転動作を得ることができる。従って、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）の通電パターンを繰り返すことにより、プーリー６を小刻みで回転させ、超低速なステッピングモータを実現できる。
【００１８】
本実施例においては、Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金ワイヤをφ１００μｍ、長さ６５ｍｍ、プーリー６に取り付けたリング状ゴム７の外径は約２６ｍｍとした。駆動電圧Ｖａ=Ｖｂ=１.５Ｖdcの場合、ワイヤに流れた電流が約２５０ｍＡとなり、回転速度は約０.３ｒｐｍであった。また、図４のような通電パターンをすれば、逆回転（時計回り）での駆動が可能となり、回転方向の切替も容易である。
【００１９】
図５に、本発明の回転型ＳＭＡアクチュエータの第２の実施例の構造図を示す。第１の実施例と異なる点は、形状記憶合金ワイヤ１が形状記憶合金ワイヤから出来た２つの形状記憶合金コイル１ａ、１ｂを用いている点である。もしくは、形状記憶合金ワイヤ１の代わりに１本の形状記憶合金コイルを用いても良い。その他の部分は同じである。
【００２０】
Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金ワイヤの伸縮率は５％程度であるが、ワイヤから形成されたマイクロコイル状のものでは１００％に近い伸縮率が得られる。それを利用すれば、１サイクルで得られる変位も大きくすることが出来る。しかし、コイル状合金はワイヤ状に比較して伸縮力が弱いほか、温度変化、特に冷却過程に対する変位応答が遅くなるため、１サイクルの動作周期が長くなる。
【００２１】
一般的な電磁モータは低電圧で駆動できるメリットを持つが、減速系を使わずに低速回転を実現するのは困難である。また、圧電超音波モータは減速系を使わない低速回転を実現できるが、駆動系が複雑で高価である。しかし、本発明による形状記憶合金を用いた回転機構に利用すれば、簡単な駆動回路と超低速回転を両立することが可能となる。上記のような形状記憶合金を用いた回転機構は、電気発熱を機械動作へ変換するため電力効率が低い。しかし、間欠動作や電磁モータが適用できない強磁場などの条件の場合には、低速回転アクチュエータとして本発明の回転機構を適用することは有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の回転型ＳＭＡアクチュエータの第１の実施例の構造図。
【図２】本発明の回転型ＳＭＡアクチュエータの反時計回りの回転動作を示す模式図。
【図３】図２の動作（反時計回り方向回転）の通電パターンを示す図。
【図４】時計回り方向回転の通電パターンを示す図。
【図５】本発明の回転型ＳＭＡアクチュエータの第２の実施例の構造図。
【符号の説明】
【００２３】
１：形状記憶合金
１ａ、１ｂ：形状記憶合金ワイヤ、形状記憶合金コイル
２：マーク
３：金属バネ
４：接触子
５ａ、５ｂ、５ｃ：固定点
６：プーリー
７：リング状ゴム
【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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