(57)【要約】【課題】直接通電式やニクロム線巻き付けのような加熱手段より加熱効率が良く、劣化が少なく、また容易に加熱手段を設けることができ、小型化することができる加熱手段を備えた形状記憶合金アクチュエータを提供する。【解決手段】基板３上に設けたコイル状の形状記憶合金１の中心部にハロゲン球のような電熱球４を配置し、外部から通電可能とする。この形状記憶合金１の周囲には円筒状の反射部材５を配置し、その内周面を反射鏡面６とする。電熱球４への非通電時には形状記憶合金は冷えており、その全長は短くなっているため、被作動部材２は反射部材５上に載置された状態となっている。電熱球４に通電すると、その放射熱が直接形状記憶合金１を加熱すると共に、これを通過した放射熱は周囲の反射鏡面６で反射し、形状記憶合金を効率よく加熱する。それによりコイル状の形状記憶合金の全長が長くなり、被作動部材を作動することができる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定温度で伸縮する形状記憶合金と、
前記形状記憶合金を加熱する加熱用電熱球と、
内周に反射鏡面を備え、前記形状記憶合金及び加熱用電球の外周に設けた反射部材と、
コイル端部に設けた被作動部材とからなり、
前記加熱用電熱球から放射した熱線による直接加熱と前記反射鏡面により反射した該熱線による加熱とによって前記形状記憶合金を加熱し、前記被作動部材を駆動す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】
前記形状記憶合金はコイル状であり、
前記加熱用電熱球は前記形状記憶合金のコイル内部に配置し、
前記反射部材を前記コイル状の形状記憶合金の外周に配置したことを特徴とする請求項１記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項３】
前記加熱用電熱球は、ハロゲン球であることを特徴とする請求項１記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項４】
前記形状記憶合金の表面を黒色にしたことを特徴とする請求項１記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状記憶合金製素材を加熱することによりその素材を変形させ、各種機器を駆動する形状記憶合金アクチュエータに関し、特に小型でコイル状の形状記憶合金を用いたアクチュエータにおいて、小容積、且つ小電力でこれを作動することができるようにした形状記憶合金アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
形状記憶合金は、変形させても所定温度以上にすると変形以前の形状に戻る性質を持っており、現在は広範な分野で使用されている。このような形状記憶合金は小型で大きな力を発生することができるため、種々の機械を作動する駆動源として用いることも数多く提案されており、コイルバネ状の形状記憶合金をアクチュエータとして用いることも種々提案されている。
【０００３】
このようなコイル状の形状記憶合金をアクチュエータとして用いる際には、これを加熱する手段として、コイルに直接通電し、コイルの内部抵抗により加熱を行う通電加熱方式、コイルの周囲にニクロム線を巻いて加熱する外部加熱方式等が存在し、その際の通電の仕方、電圧制御方法等に関して様々な提案がなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような、コイル状の形状記憶合金を加熱する手段において、コイル状の形状記憶合金に対して直接通電して加熱するものにおいては、そのコイル状の線材が細い場合は比較的電気抵抗を大きくすることが可能であるが、その場合はこの形状記憶合金によって発生する力は小さいものとならざるを得ない。そのため、より大きな力を必要とする使用形態においては、どうしても径を大きくしなければならず、その際には必然的に電気抵抗が小さくなってしまう。
【０００５】
したがって上記のような通電加熱方式においては、電流が流れ過ぎるため電力消費が過大となり、各種機器の作動においてコストアップの原因となると共に、例えばバッテリを搭載して独立して移動するロボットの各種作動部分に、上記のような形状記憶合金による作動手段を搭載する際には、バッテリの消費電力が多くなるため、ロボットの機能向上のために大きな障害となる。
【０００６】
その対策として上記のような電気抵抗が小さいコイルばね状の形状記憶合金を用いても通電量を小さくするため、通電回路中に電流を制限する手段を設けることも考えられる。しかしながら、そのような電流を制限する手段を採用する場合においても、例えば比較的大径のコイル素材を用いた形状記憶合金を用いているとき、その形状記憶合金を作動させることができる所定温度に加熱する必要があるため、電流を制限するにも限界があり、したがって電力消費を制限する効果は必ずしも充分ではないという問題がある。しかも形状記憶合金は電力消費の割には発熱量が小さく、加熱効率が悪いため、その点でも電力消費を抑えるには限界があった。
【０００７】
一方、コイル状の形状記憶合金を加熱するに際して、上記のようにコイルの周囲にニクロム線を巻いて加熱する外部加熱方式では、そのコイル状の形状記憶合金が比較的大きい場合には、そのコイルの素材の周囲にニクロム線を巻くことは容易である。しかしながら、例えばコイル径が７〜８ｍｍ程度の比較的小さなコイルバネ状の素材の際には、その周囲に所定の発熱量を有するニクロム線を電気絶縁を確保しながら巻くことは極めて困難である。また、その際にはニクロム線と形状記憶合金との間の絶縁材料の存在により伝熱効率が悪化し、加熱効率が悪くなるため電力消費が大きくなり、前記のようなバッテリを搭載して独立して移動するロボットのような場合には、特にそのロボットの機能向上のために大きな障害となる。
【０００８】
更に、形状記憶合金を加熱することにより各種作動を行わせるようにした装置においては、上記のような形状記憶合金自体に通電する場合でも、また形状記憶合金にニクロム線を巻き付ける場合でも、その熱は周囲に放散するため、この形状記憶合金の周囲に各種部材が存在する場合には、それらの部材は熱によって悪影響を受けることが考えられる。特に周囲に電子回路等が存在する場合にはその熱の影響は大きく、機器の作動に大きな悪影響を与える危険性がある。
【０００９】
したがって本発明は、小型のコイルバネ状の形状記憶合金でも、小電力で効率よく加熱して作動することができ、且つ全体として小型で、しかも周囲に熱の影響を与えることがないようにした形状記憶合金アクチュエータを提供することを主たる目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１にかかる発明は、所定温度で伸縮する形状記憶合金と、前記形状記憶合金を加熱する加熱用電熱球と、内周に反射鏡面を備え、前記形状記憶合金及び加熱用電球の外周に設けた反射部材と、コイル端部に設けた被作動部材とからなり、前記加熱用電熱球から放射した熱線による直接加熱と前記反射鏡面により反射した該熱線による加熱によって前記形状記憶合金を加熱し、前記被作動部材を駆動することを特徴とする形状記憶合金アクチュエータとしたものである。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、前記形状記憶合金はコイル状であり、前記加熱用電熱球は前記形状記憶合金のコイル内部に配置し、前記反射部材を前記コイル状の形状記憶合金の外周に配置したことを特徴とする請求項１記載の形状記憶合金アクチュエータとしたものである。
【００１２】
また、請求項３にかかる発明は、前記加熱用電熱球は、ハロゲン球であることを特徴とする請求項１記載の形状記憶合金アクチュエータとしたものである。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、前記形状記憶合金の表面を黒色にしたことを特徴とする請求項１記載の形状記憶合金アクチュエータとしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１にはコイル状の形状記憶合金１を用いて、図中には板状部材として示している被作動部材２を駆動するアクチュエータとしての基本原理を示しており、基板３上にコイル状の形状記憶合金１を配置し、その中心部に加熱用電球４を設置すると共に、形状記憶合金１の周囲に円筒状の反射部材５を設けている。なお、図示実施例においてはコイル状の形状記憶合金を用いた例を示しているが、例えば線状の形状記憶合金をジグザグ状に折曲したものを用いてもよく、更に種々の態様の形状記憶合金を用いることができる。
【００１５】
また、この形状記憶合金の表面は黒色塗装等により着色することによって、輻射熱を吸収しやすくすることが好ましいが、素材の表面が充分に黒い場合には特に着色する必要はない。しかしながら素材の表面が黒い場合、及び前記のように表面に黒色の着色を施す場合を含めて、形状記憶合金の表面が光沢面を有するときには熱線を反射しやすいので、その表面をを粗く形成する等により、輻射熱をより吸収しやすくすることが好ましい。
【００１６】
円筒状の反射部材５の内面には、赤外線等の熱線を効率よく反射する反射鏡面６を形成しており、それにより前記加熱用電熱球４を点灯したとき、その赤外線等の熱線を反射し、コイル状の形状記憶合金１を全周から均等に、効率よく加熱することができるようにしている。なお、この反射部材は円筒状に限らず、周囲の機器の配置等に対応して任意の形状に形成することができる。
【００１７】
この反射鏡面はアルミニウム製等の金属製反射部材の内面を研磨して鏡面仕上げすることにより形成してもよく、また、内面にアルミ箔等の金属薄膜を貼る等により形成することもでき、更に、例えばセラミック材等の種々の素材の内面に蒸着等によって金属面を形成する等、種々の手段によって反射鏡面を形成することができる。また、必要に応じて反射部材５を断熱性の高いもので形成し、内部の熱の影響を外部に伝えないようにしてもよい。
【００１８】
加熱用電熱球４としては種々の電熱球を使用することができ、特にハロゲン球を用いることが好ましいが、その他、これに相応した電熱球を使用することができる。ハロゲン球を使用した電熱球ヒータはハロゲンヒータとして広く用いられるようになっており、このハロゲンヒータは微量のハロゲンガスとアルゴンガスや窒素などの不活性ガスを封入した耐熱性の高い透明石英ガラス製のバルブ中にタングステン電極を備え、このタングステン電極に通電すると、封入されたハロゲンと加熱蒸発するタングステンとの再生循環反応（ハロゲンサイクル）の効果により、バルブを小型化しても黒化が起きず、寿命が長いと共に、投入電力の８５％以上を赤外線に変換し照射することが可能となっている。
【００１９】
図１（ａ）に示す例においては、上記のようなハロゲン球を使用した加熱用電熱球４が通電されていない状態を示しており、また、図示する形状記憶合金は所定以上の高温時にコイルの全体長が長くなるように設定しているため、図１（ａ）に示す加熱用電熱球４に通電していない状態では低温であり、その結果、コイルの全体長が短くなっている。それにより同図に示すように、被作動部材２は円筒状の反射部材５上に載置された状態となっていて、形状記憶合金１からはほとんど力を受けていない状態になっている。
【００２０】
図１（ａ）に示す状態から加熱用電熱球４に通電すると、図１（ｂ）に示すように加熱用電熱球４が点灯して発熱し、その際発生する赤外線等の熱線は直接その周囲に配置されているコイル状の形状記憶合金１の内側部分を中心に加熱すると共に、これを通り抜けた赤外線等はこれを取り囲んでいる円筒状の反射部材５の内面に形成した反射鏡面６で反射する。この反射した熱線は再びコイル状の形状記憶合金１側に戻り、その外側部分を加熱する。円筒状の反射部材５内ではこのような熱線の反射が複数回繰り返され、形状記憶合金１を加熱する。なお、このような反射を更に効率よく行うため、反射部材５内に位置する基板３の図中上面にも反射鏡面、或いは反射効率の良い表面を形成し、更に必要に応じて作動部材２の図中下面にも同様の処置を施しても良い。
【００２１】
上記のような加熱用電熱球４の通電によって発生し、反射部材５で複数回反射する赤外線等の熱線により形状記憶合金１が効率よく加熱され、次第に形状記憶合金１の素材の温度が上昇する。その温度がこの形状記憶合金１の所定の変態温度に至ると、図１（ｃ）に示すように、予め設定しているコイルの全長が長い状態に変形する。一般的に形状記憶合金は変態点で形状を復帰するときの変形力が強いため、反射部材５上に載置している被作動部材２は図示するように持ち上げることができる。また、加熱用電熱球４への通電を停止すると形状記憶合金が冷え、再び図１（ａ）に示す元の状態に戻り、同様の作動を繰り返すことができる。
【００２２】
このような作動を行う形状記憶合金の加熱装置を実際に各種機器を作動するアクチュエータとして用いるには種々の態様で実施することができるが、前記図１に示す被作動部材２を例えば図２に示すように筒状の反射部材５に摺動自在に嵌合し、その上部にロッド７を固定することにより、ロッド７によって各種部材を駆動するアクチュエータとして構成することもできる。
【００２３】
この形状記憶合金を用いたアクチュエータの加熱装置も前記図１に示す作動原理にしたがうものであり、図２（ａ）に示すようにコイル状の形状記憶合金１が冷えて全体長が短くなっている状態から内側の加熱用電熱球４を点灯すると、図２（ｂ）に示すようにその赤外線等により形状記憶合金１を加熱し、更に反射部材５の内面の反射鏡面６に反射して形状記憶合金を加熱する。
【００２４】
それにより、コイル状の形状記憶合金１の温度が変態点以上となり、図２（ｃ）に示すようにその全長が伸長し、且つ前記のようにその際の変形力が強いため、被作動部材２はこの円筒状の反射部材の内面に沿って上昇し、その上面に固定したロッド７を上方に移動し、各種部材を駆動する。また、加熱用電熱球４への通電を停止することにより形状記憶合金の温度は低下し、形状記憶合金は再び図２（ａ）に示すように短くなり、且つ被作動部材２、作動ロッド７の重力、及びこの作動ロッド７で駆動する各種部材による戻し力等によって被作動部材２も同図のように降下して元の状態に戻る。上記のような作動を繰り返すことにより、各種部材を駆動するアクチュエータとすることができる。
【００２５】
上記のようなアクチュエータのほか、例えば図１に示す態様において、反射部材５を永久磁石で製造し、且つ被作動部材２を磁性材料で製造することにより、図１（ａ）の状態では被作動部材２を永久磁石製反射部材５で吸着して、基板３と被作動部材２とを一体化した状態にし、図１（ｂ）に示すように加熱用電熱球４に通電してコイル状の形状記憶合金１を加熱し、形状記憶合金に復元力を与えると、その力が永久磁石による被作動部材２の吸着力を上回るとき、被作動部材２は図１（ｃ）に示すように反射部材５から引き離され、自由状態となる。それにより被作動部材２は基板３から独立して移動することができるようになる。このような装置を、例えば複数の独立移動式ロボット相互間の結合離脱手段として用いることも可能となる。その際、前記反射部材５を永久磁石とすることなく、別に永久磁石を設けてもよい。
【００２６】
この種のアクチュエータにおいて、例えば図３に示すように作動ロッドを水平方向に移動するときには前記図２に示すアクチュエータを横向きに設置し、被作動部材２を反射部材５の内面に沿って水平方向に移動可能とする。また、被作動部材５を常時コイル状の形状記憶合金１の端部に接触可能とするため、比較的バネ力の弱い戻しスプリング８を例えば図３に示すように、反射部材５の端面を覆う端板９と被作動部材２との間に縮設する。また、図示実施例においてはこの端板９に設けた開口１０に作動ロッド７を摺動自在に支持しており、それにより作動ロッド７を円滑に水平方向に移動できるようにしている。
【００２７】
上記のようなアクチュエータにおいても、前記図２に示すものと同様に作動させることができ、特に図３に示す実施例においては、図３（ａ）の状態と同図（ｂ）の状態間において、戻しスプリング８により被作動部材２及び作動ロッド７を確実にコイル状の形状記憶合金１の伸縮に合わせて移動させることができ、図示するような水平方向の作動以外に種々の姿勢での作動を確実に行わせることができる。
【００２８】
上記のような本発明の技術思想に基づいて、実際に形状記憶合金を用いたアクチュエータを作成し、その特性を検討した結果を以下に示す。線径が直径０．８ｍｍの形状記憶合金線材を、ターン数５、コイル外径が直径６．５７ｍｍの形状のコイルを形成し、そのコイルの内部に、直径５ｍｍ以下の極小のハロゲン電熱球を配置し、コイル外側には鏡面加工を施したアルミニウム製の筒をかぶせた。この状態でハロゲン電熱球に８Ｖの電圧を印加して、放射熱により加熱を行った結果、所望の発生力を得るのに必要な電力として、形状記憶合金に通電を行って加熱した場合には１８０Ｊ必要だったものが３６Ｊに迄減少し、約５分の１の熱量で所望の発生力を得ることができ、本発明の効果があることを確認した。
【００２９】
【発明の効果】
形状記憶合金を加熱する際に、形状記憶合金に直接電流を流すものにおいては、その形状記憶合金に過剰な電流を流し続けことが多くなり、その際には形状記憶合金自体が劣化し、次第に本来の性能を発揮できなくなる。それに対して本発明による加熱用電熱球を用いた装置では、加熱用電熱球本来の熱駆動方式であるため、劣化が少なく、長期間所望の性能を維持することができる。また、形状記憶合金に通電を行う必要がないので、形状記憶合金自体に端子をつける必要が無く、小型の電熱球と既に製造されている端子を利用することにより、コンパクトに、且つ安価に製造することができる。また形状記憶合金に所望の発生力を得るのに必要な電力が減少し、消費電力を少なくすることができる。そのため、例えばロボットにこのアクチュエータを使用する際に、電池の電力消耗が少なくなり、同じ電池を使用しても長期間ロボットを独立して駆動することが可能となる。
【００３０】
また、形状記憶合金の加熱に際して、形状記憶合金にニクロム線を巻き付ける方式においては、例えばコイル外径が７〜８ｍｍ程度の小型の形状記憶合金に極細のニクロム線を巻くこと自体困難であり、このニクロム線の使用に際して熱および振動等により断線しないように取り扱うことは困難であるため、小型の形状記憶合金の加熱手段としては向いていない。それに対して、本発明による加熱用電熱球を用いた装置では、電熱線を巻くような手間もいらず、且つ電熱球の故障時にはソケットから抜き出して新品と容易に交換することができる等、取り扱いも容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な原理を示す実施態様例の作動説明図である。
【図２】本発明をアクチュエータとして用いたときの基本形態を示す作動説明図である。
【図３】本発明をアクチュエータとして用いる他の態様を示す作動説明図である。
【符号の説明】
１　形状記憶合金
２　被作動部材
３　基板
４　加熱用電熱球
５　反射部材
１　反射鏡面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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