(57)【要約】【課題】  構造が簡単で、動作速度が速く、信頼性の高い回転型アクチュエータを得る。【解決手段】  本発明の回転型アクチュエータは、中空円筒状のフレーム１と、フレームの中央部に回転自在に支持されている回転軸２と、形状記憶合金コイル５とを設けたもので、回転軸に同心円状に設けたフライホイール３と、フライホイールの側面に回転軸の軸心から偏心した位置に設けたハンドル４と、ハンドルにその一方端を固定し他方端をフレームに固定した少なくとも３個の形状記憶合金コイル５と、形状記憶合金コイルに電圧を供給するリード線６とを備え、形状記憶合金コイルへの通電を順次切り替えることにより、ハンドルを回転軸を中心として公転運動をさせるものである。【選択図】    図１
2005207409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空円筒状のフレームと、前記フレームの中央部に回転自在に支持されている回転軸と、形状記憶合金コイルとを設けた回転型アクチュエータにおいて、
前記回転軸に同心円状に設けたフライホイールと、前記フライホイールの側面に前記回転軸の軸心から偏心した位置に設けたハンドルと、前記ハンドルにその一方端を固定し他方端を前記フレームに固定した少なくとも３個の形状記憶合金コイルと、前記形状記憶合金コイルの一方端と他方端にそれぞれ接続した電圧供給用のリード線とを備え、前記形状記憶合金コイルへの通電を順次切り替えることにより、前記ハンドルを前記回転軸を中心として公転運動をさせることを特徴とする回転型アクチュエータ。
【請求項２】
中空円筒状のフレームと、前記フレームの中央部に回転自在に支持されている回転軸と、形状記憶合金コイルとを設けた回転型アクチュエータにおいて、
前記回転軸に同心円状に設けたフライホイールと、前記回転軸に同心円状に設けた永久磁石と、前記フライホイールの側面に前記回転軸の軸心から偏心した位置に設けたハンドルと、前記ハンドルにその一方端を固定し他方端を前記フレームに固定した少なくとも３個の形状記憶合金コイルと、前記形状記憶合金コイルの一方端と他方端にそれぞれ接続した電圧供給用のリード線と、前記フレーム内側で前記永久磁石に対向する位置に設けたホール素子とを備え、前記形状記憶合金コイルへの通電を前記永久磁石と前記ホール素子から得られる回転軸の回転位置信号に応じて順次切り替えることにより、前記ハンドルを前記回転軸を中心として公転運動をさせることを特徴とする回転型アクチュエータ。
【請求項３】
前記形状記憶合金コイルへの通電を切り替える手段は、半導体素子を用いた通電制御回路であることを特徴とする請求項１または２記載の回転型アクチュエータ。
【請求項４】
前記ハンドルに固定したリード線は、コイル状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正逆両方向に連続回転運動を行う形状記憶合金を用いた回転型アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の形状記憶合金を用いた回転型アクチュエータとしてつぎのようなものがある。
第１は、図１０に示すような構造のものである（例えば、特許文献１参照）。
図において、１は中空円筒状のフレーム、２は回転軸、８は直流電源、１１は集電部材、１２はラチェット歯車、１３は渦巻きバネ、１４は外側端部、１５は内側端部、１６はラチェット爪、１７はスイッチング回路である。
回転軸２は、フレーム１の中に図示していない軸受を介して支持されている。ラチェット歯車１２は回転軸２に固定されている。渦巻きバネ１３は、２方向性を持つ形状記憶合金からなり、ラチェット歯車１２の回りを囲むように組み立てられている。外側端部１４はフレーム１の内側に固定され、内側端部１５にはラチェット爪１６が固定され、ラチェット歯車１２に噛み合うようにしてある。直流電源８は渦巻きバネ１３を加熱するもので、マイナス側を回転軸２に摺動する集電部材１１を介して接続し、プラス側をスイッチング回路１７に接続してある。スイッチング回路１７の出力は、渦巻きバネ１３の外側端部１４に接続され、ＰＷＭ制御によりパルス状の電流を渦巻きバネ１３に流すようにしてある。なお、２方向性の形状記憶合金は加熱すると伸び、冷却すると元の長さに戻る可逆動作を行う性質を持つものである。
このような構成により、直流電源８からスイッチング回路１７を介して渦巻きバネ１３にパルス状の電流を流すと、渦巻きバネ１３は加熱されて伸び、それに伴い、渦巻きバネ１３の内側端部１５に固定されたラチェット爪１６は渦巻きバネ１３を巻き戻す方向に移動して、ラチェット爪１６に噛み合ったラチェット歯車１２を図の反時計回りに回転させる。次に、電流が０レベルになると、２方向性を持つ渦巻きバネ１３は自然冷却されることにより収縮して、ラチェット爪１６は巻付け方向に移動するが、ラチェット爪１６はラチェット歯車１２の外周を滑って元の位置に戻り、その位置でラチェット歯車１２と噛み合う。渦巻きバネ１３にパルス状の電流を供給することにより、この動作を繰り返すので、
ラチェット歯車１２は一方向に連続的に回転し、ラチェット歯車１２が固定されている回転軸２も一方向に連続的に回転する。
第２は、回転位置により切り替わる機械的な切換スイッチを有し、形状記憶合金の通電加熱を切り替えることにより、連続回転運動するものである（特許文献２参照）。
このように、従来の形状記憶合金アクチュエータは、機械的に摺動する集電部材や機械的接点を利用した切換スイッチを有することにより、形状記憶合金への通電を制御している構造をとっている。
【特許文献１】特開平９−２６８９６９（第３頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−３０４０９６（第６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、従来の形状記憶合金アクチュエータは、機械的に摺動するラチェット歯車、集電部材や機械的接点による切換スイッチを有する構成となっているため構造が複雑になり、動作速度も遅いという問題があった。また、機械的摺動部の通電に対する接触信頼性が低いという問題もあった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、機械的に摺動する集電部材や機械的接点による切換スイッチを排除することにより、構造がきわめて簡単で、動作速度が速く、信頼性の高い、回転型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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、中空円筒状のフレームと、前記フレームの中央部に回転自在に支持されている回転軸と、形状記憶合金コイルとを設けた回転型アクチュエータにおいて、前記回転軸に同心円状に設けたフライホイールと、前記フライホイールの側面に前記回転軸の軸心から偏心した位置に設けたハンドルと、前記ハンドルにその一方端を固定し他方端を前記フレームに固定した少なくとも３個の形状記憶合金コイルと、前記形状記憶合金コイルの一方端と他方端にそれぞれ接続した電圧供給用のリード線とを備え、前記形状記憶合金コイルへの通電を順次切り替えることにより、前記ハンドルを前記回転軸を中心として公転運動をさせるものである。
請求項２に記載の発明は、中空円筒状のフレームと、前記フレームの中央部に回転自在に支持されている回転軸と、形状記憶合金コイルとを設けた回転型アクチュエータにおいて、前記回転軸に同心円状に設けたフライホイールと、前記回転軸に同心円状に設けた永久磁石と、前記フライホイールの側面に前記回転軸の軸心から偏心した位置に設けたハンドルと、前記ハンドルにその一方端を固定し他方端を前記フレームに固定した少なくとも３個の形状記憶合金コイルと、前記形状記憶合金コイルの一方端と他方端にそれぞれ接続した電圧供給用のリード線と、前記フレーム内側で前記永久磁石に対向する位置に設けたホール素子とを備え、前記形状記憶合金コイルへの通電を前記永久磁石と前記ホール素子から得られる回転軸の回転位置信号に応じて順次切り替えることにより、前記ハンドルを前記回転軸を中心として公転運動をさせるものである。
請求項３に記載の発明は、前記形状記憶合金コイルへの通電を切り替える手段を、半導体素子を用いた通電制御回路としたものである。
請求項４に記載の発明は、前記ハンドルに固定したリード線をコイル状にしたものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、回転軸に固定したフライホイールの側面に設けたハンドルに形状記憶合金コイルを設けたので、機械的に摺動する集電部材や機械的接点がなく、構造がきわめて簡単で、動作速度が速く、信頼性も高い、回転型アクチュエータを得ることができる。
請求項２に記載の発明によると、永久磁石とホール素子を設けたので、回転軸の回転位置信号に応じて形状記憶合金コイルへの通電を順次切り替えることができるため、運転起動時の動作を確実にでき、かつトルクを安定して発生させることができる。
請求項３に記載の発明によると、形状記憶合金コイルへの通電切替手段に半導体素子を用いて通電制御回路を構成したので、回転動作の信頼性を極めて高くすることができる。また、形状記憶合金への通電パターンを自由自在に行うことができるために、間欠回転運動や正逆両方の連続回転運動などを実現することができる。
請求項４に記載の発明によると、ハンドルに固定したリード線をコイル状にしたので、接触不良がなく回転動作の信頼性を極めて高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の形状記憶合金を用いた回転型アクチュエータを示す正断面図、図２は側断面図である。図において、１は中空円筒状のフレーム、２は回転軸、３はフライホイール、４はハンドル、５は形状記憶合金コイル、６はリード線、７は軸受である。
回転軸２は軸受７により、フレーム１の内部で回転自在に支持されている。フライホイール３は回転軸２と回転中心を同一にして固定されており、ハンドル４はフライホイール３の側面に前記回転中心から偏心した位置に軸受７を介して回転自在に設置されている。形状記憶合金コイル５は、Ｕ相コイル５１、Ｖ相コイル５２、Ｗ相コイル５３の３個からなり、通電加熱すると収縮するタイプを用いている。そして、一方端がハンドル４に一箇所で接続されており、他方端はそれぞれフレーム１の内周面に固定されている。リード線６は、前記形状記憶合金の端がまとめられたハンドル４と、それぞれの形状記憶合金コイルの他端にそれぞれ接続されている。
本発明の回転型アクチュエータの駆動回路を図３に示す。図において、５、５１、５２、５３は形状記憶合金コイル、８は直流電源、９は通電制御回路、１０は半導体素子である。
形状記憶合金コイル５は、一端をハンドル４でまとめて接続されて、リード線６を通して、直流電源のプラス極に接続されている。形状記憶合金コイル５の他端はそれぞれリード線６を通して半導体素子１０に接続されている。それぞれの半導体素子１０の他端はそれぞれ直流電源のマイナス極に接続されている。半導体素子１０の制御端子はそれぞれ通電制御回路９に接続されている。
【０００８】
つぎに、本発明の回転型アクチュエータの動作について説明する。
図４は本発明の形状記憶合金アクチュエータの動作を示す説明図、図５は各形状記憶合金への通電パターンを示す説明図である。図４と図５の符号（ａ）〜（ｆ）は、通電状態を示したものでそれぞれ対応している。
まず通電状態（ａ）では、Ｕ相コイル５１のみ通電ＯＮで、Ｖ相コイル５２、Ｗ相コイル５３は通電ＯＦＦである。従ってＵ相コイル５１のみが通電加熱されて収縮し、ハンドル４はＵ相コイル５１側に引き寄せられ、Ｖ相コイル５２、Ｗ相コイル５３はハンドル４が移動するため、伸張される。
次に、通電状態（ｂ）に移行すると、Ｕ相コイル５１の通電ＯＮに加えて、Ｖ相コイル５２が通電ＯＮにされるため、Ｖ相コイル５２も通電加熱されて収縮する。Ｕ〜Ｗの３つのコイルは特性と長さが揃えられているため、Ｕ相コイル５１とＶ相コイル５２の収縮力は同じとなり、ハンドル４はＵ相コイル５１側からＵ相コイル５１とＶ相コイル５２の中間位置に移動する。
次に、通電状態（ｃ）に移行すると、Ｕ相コイル５１は通電ＯＦＦとなり、Ｖ相コイル５２のみが通電ＯＮとなる。したがってＵ相コイル５１の収縮力はなくなり、Ｖ相コイル５２のみが収縮力を有する。そうすると、ハンドル４はＶ相コイル５２側に移動し、Ｕ相コイル５１、Ｗ相コイル５３はハンドル４の移動に伴い伸張される。以上のように、通電状態（ａ）〜通電状態（ｃ）により、ハンドル４の位置は、Ｕ相コイル５１側、Ｕ相コイル５１とＶ相コイル５２の中間位置、Ｖ相コイル５２側の順に移動する。このとき、ハンドル４は、回転軸２と回転中心が一致するフライホイール３の側面に取付られているために、回転軸２を中心とする円軌道上を移動する。
以下同様にして、通電状態を（ｄ）→（ｅ）→（ｆ）と切り替えることにより、ハンドル４は回転軸２を中心とした円軌道上を公転運動することになる。ハンドル４はフライホイール３の側面に取り付けられているためフライホイール３も回転軸２を中心に回転運動する。フライホイール３は回転軸２と回転中心を同一にして固定されているため、回転軸２も自分自身を回転中心にして回転運動する。以上のようにして、形状記憶合金の直線状の収縮運動を利用することにより回転運動を得ることができる。また、上記通電状態（ａ）→（ｆ）→（ａ）により最初と同じ位置に戻るため、この通電パターンを以下繰り返すことにより、連続した回転運動を得ることができる。
ハンドル４は、フライホイール３の側面に軸受７を介して回転自在に取り付けられているので、回転軸２の中心とする公転運動をするが、ハンドル４自体は自転運動をしない。したがって、形状記憶合金コイルがハンドル４の周りに絡みつくことなく、断線することもない。
また、通電状態を上記とは、逆のパターンの（ａ）→（ｆ）→（ｅ）→（ｄ）→（ｃ）→（ｂ）→（ａ）とすることにより、上記とは逆方向の連続回転運動が得られる。
【０００９】
通電制御回路９から、上述したような通電パターンにて半導体素子１０を制御することにより、上述したような通電パターンによる各形状記憶合金コイルの通電加熱が行うことができるため、上述したように正逆両方向の連続した回転運動を得ることができる。また、半導体素子１０による通電切り替えであるために、機械的接点による切換スイッチではないために、動作速度を速くすることができ、また、信頼性を高くすることができる。
また、上記の形状記憶合金コイルとして、２方向性の形状記憶合金を用いることにより、動作速度を極めて速くすることができる。
なお、上記実施例では形状記憶合金コイルの数が３個の場合を示したが、本発明は形状記憶合金の数が３個の場合に限らず、４個以上の場合でも実施できることは勿論である。
【実施例２】
【００１０】
本発明の第２実施例を図６に示す。図６は回転型アクチュエータの正断面図、図７は側断面図である。図において、１８は永久磁石、１９はホール素子である。他の符号は第１実施例と同じであるため、説明を省略する。本実施例が第１実施例と異なる部分は、永久磁石１８とホール素子１９を備えている点である。なお、図６は永久磁石１８の位置での正断面図を示しており、形状記憶合金コイル５の位置での正断面図は図１と全く同一である。
永久磁石１８は回転軸２と回転中心を同一にして固定されており、ホール素子１９はフレーム１の内周面に永久磁石１８に対向するように固定されており、図示していないホール素子電源用リード線から電源を供給し、同じく図示していない信号出力用リード線にて外部に信号を出力できるようにしている。
本発明の回転型アクチュエータの駆動回路を図８に示す。図において、１９、１９１、１９２、１９３はホール素子である。３個のホール素子１９１、１９２、１９３の出力はそれぞれ通電制御回路９に接続されている。
【００１１】
次に、本実施例の回転型アクチュエータの動作について説明する。
図９は各形状記憶合金コイルへの通電パターンを示す説明図である。本発明の動作を示す図は図４と共通である。図４と図９の符号（ａ）〜（ｆ）は通電状態を示したもので、それぞれ対応している。
第２実施例の発明が、第１実施例の発明と異なる点は、形状記憶合金コイル５への通電タイミングを回転軸の回転位置に応じて切り替えている点であり、その回転軸の回転位置は、永久磁石１８とホール素子１９とにより得ている。
ホール素子１９は永久磁石１８からの磁束の強弱により、正弦波状の信号を出力する。図９に示しているホール素子の信号波形は、通電制御回路９の内部で整形処理された後の波形を示しており、矩形波に整形されている。
図９に示すとおり、第２実施例の発明では、各形状記憶合金コイル５への通電タイミングを、各形状記憶合金コイル５に対応するホール素子１９の出力信号に同期して実行している。形状記憶合金の直線状の収縮運動を利用して回転運動を得る動作は、第１実施例の発明と同様のため、その説明は省略する。
通電制御回路９から、上述したような通電パターン、通電タイミングにて半導体素子１０を制御することにより、上述したような通電パターンによる各形状記憶合金コイルの通電加熱を行うことができるため、上述したように正逆両方向の連続した回転運動を得ることができる。また、半導体素子１０による通電切り替えであるために、機械的接点による切換スイッチではないために、動作速度を速くすることができ、また、信頼性を高くすることができる。
また、永久磁石とホール素子を設けたので、回転軸の回転位置信号に応じて形状記憶合金コイルへの通電を順次切り替えることができるため、運転起動時の動作を確実にでき、かつトルクを安定して発生させることができる。
なお、上記実施例では永久磁石の極数が２極、ホール素子の数が３個の場合を示したが、本発明は永久磁石の極数が２極の場合に限らず、またホール素子の数が３個の場合に限らずその他の場合でも実施できることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
本発明は、形状記憶合金を用いたアクチュエータで、小形で構造が単純で、動作速度も速く、かつ信頼性も高いので、マイクロマシンなどの駆動用アクチュエータという用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例を示す回転型アクチュエータの正断面図
【図２】本発明の実施例を示す回転型アクチュエータの側断面図
【図３】本発明の形状記憶合金アクチュエータの駆動回路を示す概念図
【図４】本発明の回転型アクチュエータの動作を示す模式図
【図５】本発明の回転型アクチュエータの通電パターンを示す説明図
【図６】本発明の第２実施例を示す回転型アクチュエータの正断面図
【図７】本発明の第２実施例を示す回転型アクチュエータの側断面図
【図８】本発明の第２実施例を示す回転型アクチュエータの駆動回路を示す概念図
【図９】本発明の第２実施例を示す回転型アクチュエータの通電パターンを示す説明図
【図１０】従来の形状記憶合金アクチュエータを示す正断面図
【符号の説明】
【００１４】
１  フレーム
２  回転軸
３  フライホイール
４  ハンドル
５  形状記憶合金コイル
６  リード線
７  軸受
８  直流電源
９  通電制御回路
１０  半導体素子
１１  集電部材
１２  ラチェット歯車
１３  渦巻きバネ
１４  外側端部
１５  内側端部
１６  ラチェット爪
１７  スイッチング回路
１８  永久磁石
１９、１９１、１９２、１９３  ホール素子
【図１】
2005207409.tif 000003
【図２】
2005207409.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005207409.tif 000008
【図７】
2005207409.tif 000009
【図８】
2005207409.tif 000010
【図９】
2005207409.tif 000011
【図１０】
2005207409.tif 000012