(57)【要約】離散ステップロータリアクチュエータ（１）は、ステータ（２）と、ロータ（３）と、少なくとも、形状記憶アクティブ材料から成るアクチュエータ素子（１０）とを備え、アクチュエータ素子（１０）は、前記ステータ（２）に固定された第１部分（１１）および末端素子（１２）を持つ第２部分とを有する。ロータは、円周状に配置された一連の台座（１４）を有し、そこに末端素子（１２）が順次係合可能となる。アクチュエータ素子（１０）の間に配置された弾性手段（１３）およびステータ（２）は、アクティブ材料が短縮状態から伸長状態へ移行する際、２つの連続した台座間での末端素子（１２）のシフトを誘発する。アクティブ材料が伸長状態から短縮状態へと移行する際、ステータ（２）に対する回転結合をロータ（３）に付与する。
2006523431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部分またはステータ（２）と、回転部分またはロータ（３）と、ステータ（２）に対してロータ（３）を回転させるための手段（１０，１２，１３）とを備え、
前記手段（１０，１２，１３）は、少なくとも一部が形状記憶アクティブ材料で形成され、短縮状態および伸長状態をとることが可能で、前記ステータ（２）またはロータ（３）の一方に固定された第１部分（１１）を有するアクチュエータ素子（１０）を少なくとも備え、
前記ロータ（３）またはステータ（２）の他方の円周状に配置された一連の台座（１４）を備え、アクチュエータ素子（１０）は、前記台座（１４）と順次係合可能な第２部分（１２）を有し、
アクチュエータ素子（１０）の間に配置された弾性手段（１３）を備え、前記ステータ（２）またはロータ（３）の一方には、アクチュエータ素子（１０）の前記第１部分（１１）が固定されており、
前記弾性手段（１３）は、アクティブ材料が短縮状態から伸長状態へ移行する際、２つの連続した台座（１４）間でアクチュエータ素子（１０）の前記第２部分（１２）のシフトを誘発するために動作するものであり、アクティブ材料が伸長状態から短縮状態へと移行する際は、ステータ（２）に対する回転結合をロータ（３）に付与するようにした離散ステップロータリアクチュエータ（１）。
【請求項２】
前記アクティブ材料は、形状記憶金属合金、形状記憶ポリマーおよび電気アクティブポリマーからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記アクチュエータ素子（１０）は、電気的または熱的な刺激を受けて、短縮状態から伸長状態への移行またはその逆も同様な移行を得ることを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記アクチュエータ素子（１０）は、ジュール効果によって加熱するために動作する電源手段（ＡＥ）に接続されていることを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記アクチュエータ素子（１０）は、前記素子が曝される流体の温度によって駆動されるように配置されていることを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記弾性手段（１３）は、個々のアクチュエータ素子（１０）に牽引力を作用して、前記第２部分（１２）が前記第１部分（１１）から遠ざかるように動作することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記弾性手段は、スプリング（１３）、特に、コイルスプリングを備えることを特徴とする請求項６記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記第２部分は、前記スプリング（１３）の端部が取り付けられた末端素子（１２）を備えることを特徴とする請求項７記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記台座（１４）は、実質的に凹形状を有し、その空間は前記ロータ（３）の角度運動方向（Ｆ）と反対方向に開口していることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記台座（１４）は、相互に実質的に同じ距離にあり、前記ステータ（２）およびロータ（３）のうちの一方の円周面上に配置されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記円周面は、一対の連続した台座（１４）の間で、前記ロータ（３）の角度運動方向（Ｆ）に関して下降する展開面を持つスロープ（１５）を規定するような形状であることを特徴とする請求項１０記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記アクチュエータ素子（１０）は、薄長の形状を有することを特徴とする請求項８記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記ステータ（２）およびロータ（３）は、実質的にディスク状で、同軸かつ平行な一対の要素（２’，３’）から成り、前記アクチュエータ素子（１０）および個々の弾性手段（１３）は、少なくとも部分的に、２つのディスク状要素（２’，３’）の間で規定された空間に延びていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
複数のアクチュエータ素子（１０）が設けられ、それぞれに個々の弾性手段（１３）が取り付けられることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
複数の前記アクチュエータ素子（１０）について同時の電気供給が行われることを特徴とする請求項１４記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
前記アクチュエータ素子（１０）には、電気エネルギーが順番に供給されることを特徴とする請求項１４記載のアクチュエータ。
【請求項１７】
すくなとも第１の複数の前記アクチュエータ素子（１０）には、第２の複数の前記アクチュエータ素子（１０）に対して順次供給されることを特徴とする請求項１４記載のアクチュエータ。
【請求項１８】
前記ステータ（２）は、前記ロータ（３）に関して周辺位置にあることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１９】
前記ロータは、前記ステータに関して周辺位置にあることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項２０】
前記円周面は、前記ステータ（２）またはロータ（３）の内側または外側の円周面であることを特徴とする請求項１０記載のアクチュエータ。
【請求項２１】
モータポンプ、タービン、シャッタ、フロー偏向器(flow deflector)などの小型化した素子を製作するための、請求項１〜２０のいずれかに記載された離散ステップロータリアクチュエータ（１）の用途。
【請求項２２】
２つの反対回転方向に駆動を発生可能なアクチュエータ装置であって、請求項１〜２０のいずれかに従って製作された第１および第２の離散ステップロータリアクチュエータ（１）と、反対方向に角度移動する２つのアクチュエータ（１）のロータ（３）とを備えるアクチュエータ装置。
【請求項２３】
回転部分またはロータ（３）に対して、固定部分またはステータ（２）の離散ステップ回転を発生するための方法であって、
短縮状態および伸長状態をとることが可能な形状記憶アクティブ材料で少なくとも一部が形成されたアクチュエータ素子（１０）を少なくとも用意するステップと、
前記ステータ（２）またはロータ（３）に配置された一連の台座（１４）を形成するステップと、
アクチュエータ素子（１０）の第１部分（１１）を、前記ステータ（２）およびロータ（３）の一方に固定して、アクチュエータ素子（１０）の第２部分（１２）が第１の前記台座（１４）と係合するようにするステップと、
アクチュエータ素子（１０）と、アクチュエータ素子（１０）の第１部分（８１１）が固定された前記ステータ（２）またはロータ（３）の一方との間に、弾性手段（１３）を配置するステップと、
アクティブ材料に、電気的または熱的な刺激を印加して、短縮状態から伸長状態への移行またはその逆も同様な移行を行うステップとを備え、
伸長状態から短縮状態へのアクティブ材料の移行は、前記弾性手段（１３）の動きとは逆に、ステータ（２）に対する回転結合をロータ（３）に付与し、前記弾性手段（１３）は、短縮状態から伸長状態へのアクティブ材料の移行の際に、前記第１の台座から次の台座（１４）への前記第２部分（１２）のシフトを誘発するようにした方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定部分またはステータと、回転部分またはロータと、ステータに対してロータを回転させるための手段とを備える離散(discrete)ステップロータリアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
上述したタイプの電気アクチュエータは、ステップバイステップ式モータまたはステッパとして知られ、ロータの正確な角度シフトを必要とする応用に用いられる。
【０００３】
こうしたアクチュエータまたはモータの動作は、通常、永久磁石または可変リラクタンスを有し、あるいはハリブリッド型であり、一連の電流パルスが所定のシーケンスに従ってアクチュエータへ送られて、連続的な突き押しでロータをバランス位置に達するまでシフトさせる。シャフトおよびロータのバランス位置は、高い精度で機械的に決定されることから、パルスをカウントしたり、これらの周波数を設定することにより、ロータに取り付けられたシャフトを所望の位置および所望の速度で回転させることが可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
公知のステップバイステップ式アクチュエータは、体積が大きく、複雑な電子駆動回路、一般にはデジタル回路を必要とする。前記アクチュエータの典型的な突き押し動作は、特に低い速度やより簡単な駆動技術が用いられた場合は、振動とノイズをもたらす。
【０００５】
本発明は、小型で、サイズの割には高出力で、低ノイズ動作であって、複雑な制御システムや機械的な減速機を必要としない新規な離散ステップロータリ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】
前記目的を達成するため、本発明の対象は、上述した離散ステップロータリアクチュエータであって、ステータに対してロータを回転させるための手段は、
少なくとも一部が形状記憶アクティブ材料で形成され、短縮状態および伸長状態をとることが可能で、前記ステータまたはロータの一方に固定された第１部分を有するアクチュエータ素子を少なくとも備え、
前記ロータまたはステータの他方の円周状に配置された一連の台座を備え、アクチュエータ素子は、前記台座と順次係合可能な第２部分を有し、
アクチュエータ素子の間に配置された弾性手段を備え、前記ステータまたはロータの一方には、アクチュエータ素子の前記第１部分が固定されている。
【０００７】
前記弾性手段は、アクティブ材料が短縮状態から伸長状態へ移行する際、２つの連続した台座間でアクチュエータ素子の前記第２部分のシフトを誘発するために動作するものであり、一方、アクティブ材料が伸長状態から短縮状態へと移行する際は、ステータに対する回転結合をロータに付与する。
【０００８】
好ましい実施形態において、用いられるアクティブ材料は、形状記憶金属合金である。形状記憶合金またはＳＭＡから成るアクチュエータはそれ自体知られており、種々の技術分野で幾つかの応用に既に使用されている。これらは、一般に、所定の転移温度を超えると自己の構造を変えることができる金属合金から成る素子を少なくとも使用する。他の可能な実施形態では、本発明に係るアクチュエータであるアクチュエータ手段を作製するのに用いるアクティブ材料は、形状記憶ポリマーまたはＳＭＰ、あるいは電気アクティブポリマーまたはＥＡＰとすることができる。
【０００９】
用意されるアクチュエータ素子は、好ましくは糸状をなし、電気供給手段に接続可能であり、ジュール効果により前記素子をアクティブ材料の転移温度以上に加熱する。幾つかのアクチュエータ素子の場合、同時または順番に供給され、幾つかのグループからなるアクチュエータ素子に順番に供給することも可能である。
【００１０】
代替として、アクチュエータ素子は、例えばガスや液体などの流体の温度を用いて、アクチュエータが動作するように直接駆動される。
【００１１】
上述のような特性により、本発明に係るアクチュエータは、簡単な構造で小型で低コストであるとともに、動作が正確で、低ノイズで、制御が容易になる。
【００１２】
本発明の更なる特性および利点は、添付した図面を参照しつつ、単に非限定的な例を提供する下記の説明から明らかとなろう
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図において、符号１は、本発明に係るロータリアクチュエータを概略的に示すもので、符号２で示す固定部分またはステータと、符号３で示す回転部分またはロータとを備える。図１では、図２および図３も同様に、アクチュエータの幾つかの部品は、文字Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを後に付加した符号で参照して、これらの位置変化をより良く示しているが、下記の説明では番号だけで呼ぶことがある。
【００１４】
ステータ２は、円形断面、例えば直通の空洞のような形状を持つ中央ハウジングを有し、その内部には、ロータ３が回転可能に搭載される。例えば、ステータ２およびロータ３は、基本的に円筒中空形状を有し、互いに同軸であって、ロータ３の外側円筒面がステータ２の内側円筒面に近接している。例えば、ステータ２は、１５〜２０ｍｍの外径と２〜３ｍｍの厚さを有する。
【００１５】
本発明によれば、ロータ３とステータ２との間に回転結合を発生するために、符号１０で示す１つ又はそれ以上のアクチュエータ素子が設けられ、これらは少なくとも部分的にはアクティブ材料、即ち、外部からの刺激を加えることによって構造が選択的に変形可能である材料で形成される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態において、用いられるアクティブ材料は、形状記憶金属合金である。上述のように、こうした金属材料は、もし変形しても適切な熱処理を施せば、自己の初期構造を回復することができる。特に、形状記憶金属合金は、高い温度での最も堅固な状態（オーステナイト(austenite)）から低いエネルギーおよび温度での状態（マルテンサイト(martensite)）へ移行するとき、結晶相変化を受ける。低い温度になると、形状記憶合金から成る素子は、マルテンサイト状の構造をとり、低い降伏点となって、容易に変形することができる。加熱すると、合金は、別の結晶構造であるオーステナイト状になり、自己の初期構造および形状を回復する。転移温度は、合金が自己の初期形状を「記憶」するところから始まって、組成を変化させたり、適切な熱処理によって変えることができる。「形状記憶」特性を持つ最も興味深い合金は、かなりの変形回復を持つもの、あるいは相転移の際に著しい強度を発生するものであり、例えば、Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金であり、これらは本発明を実施するために使用できる。
【００１７】
図１で例示した場合、アクチュエータ１は、糸状あるいは薄い矩形の形状を持つ６個のアクチュエータ素子１０を備え、これらは全て同じ長さであり、例えば、前記糸１０は約３〜５ｍｍの長さを有する。各糸１０は、一方側でステータ２に符号１１で示す対応する場所に固定され、他方側において各糸１０は、末端素子１２に取り付けられる。末端素子１２は、必ずしもアクティブ材料で形成されていない。各末端素子１２は、対応するコイルスプリング１３の第１端部に締結され、他端はステータ３に固定されている。前記スプリング１３は、対応する末端素子１２に対して、個々の糸１０の１つの固定点１１とほぼ反対側の方向に、図１中で符号Ｆで示すロータの回転方向に関して牽引力を作用するように配置される。
【００１８】
図４で示すように、両方のロータおよびステータは、公知の手段によって互いに一体化された２つの同軸ディスク２’，３’の各々で構成され、そして、ディスク２’とディスク３’の間の空間が規定され、ここを通って糸１０およびスプリング１３が延びている。図４はまた、末端素子１２に対する行き部分と帰り部分とともに、糸１０がどのようにしてＵ字状になるかを示しており、糸の両端は互いに接近している。これにより、対応する場所１１での電気的および機械的な接続を容易にしている。
【００１９】
ロータ３の内周面には、末端素子１２のために等距離の係合台座１４が設けられる。図４のように例示した場合、末端素子１２は小さい円柱のような形状を成し、これらの係合台座１４はほぼ凹形状を有し、ロータ３の回転方向Ｆと反対方向に開口を有する。
【００２０】
ロータ３の内周面は、２つの連続した台座１４の間で、スロープ１５または「スカイジャンプ(sky-jump)」、即ち、少し湾曲した展開面（別々の高さに配置された２つの平面図を接合したもの）を持つ表面を規定するような形状を成し、特に、各スロープ１５は、ロータ３の移動方向Ｆと反対方向に、台座１４から次に上昇する展開面を有する。糸１０およびスプリング１３については、例示したように、６つの台座１４と６つのスロープ１５が存在する。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態では、糸１０の端部は、図１に符号ＡＥで概略的に示す電源に接続され、電流を前記糸に通過させてジュール効果によって加熱するようにした。アクチュエータ１について選択された制御パターンに依存するが、糸１０には同時にまたは順番に電流供給される。アクチュエータ１は、全ての糸１０の同時供給の場合について、後述するように作動する。
【００２２】
図１は、アクチュエータ１の静止状態を示し、糸１０には電流供給されておらず、図示のように、この状態において、末端素子１２はロータ３の個々の係合台座１４にそれぞれ配置されている。
【００２３】
電流の通過による加熱の手順として、糸１０がこれらの転移温度を超えると、図２のように、短縮化または長さが小さい状態となり、そして末端素子１２を個々の固定場所１１に向かって引っ張る。
【００２４】
これらの伸長状態から短縮状態へ移行するとき、糸１０はロータ３に回転結合を付与して、図２においてハッチング線で示す位置から実線で示す位置への前記ロータの通過をもたらす。こうしてステータ２に対するロータ３の離散的な角度運動が得られる。
【００２５】
図２の位置に到達した後、糸１０への電気供給が中断され、これらの温度が徐々に低下して、形状記憶合金の転移温度より下がると、前記糸は個々の伸長状態に戻る。
【００２６】
短縮状態から伸長状態へ移行（図３において、糸１０Ｂ、末端素子１２Ｂおよびスプリング１３Ｂについてハッチング線で示すように）は、スプリング１３の動きによって支援される。スプリング１３は、末端素子１２を「引っ張って」、前記素子が前回占拠していたところに続く台座１４と係合するまで、スロープ１５の上でスライドさせる。
【００２７】
図３での実線で示す動作位置に到達すると、各末端素子１２は、前回占拠していたところに続く台座１４と係合する。図３でのハッチング線で示す台座１４の位置は、図１の位置に対応している。
【００２８】
そして、糸１０が再び電流供給されると、ステータ２に対するロータ３の新しい離散的な角度運動が得られ、そして再び電流が中断される。動作サイクルは、所望の駆動が得られるまで、繰り返される。
【００２９】
本発明に係るアクチュエータ素子１０に用いられる形状記憶材料は、非金属材料でもよく、特に形状記憶ポリマーまたはＳＭＰとすることもできる。一般に知られているように、こうしたポリマーは、自らが曝される温度および速やかに通過する温度に依存して、自己の剛性および形状を変更することが可能である。加熱された場合、ガラス状の状態から強く変形可能なゴム状の状態となり、そして冷却された場合は、前回と同じく速やかに自己の元の形状および堅さに回復する。さらに、金属合金と同様に、自己の「記憶」により、ＳＭＰは、自己の臨界温度を通過すれば、何回でも自己の原形を回復することができる。
【００３０】
糸１０が形状記憶ポリマーで形成される場合、前記糸の電流供給サイクルは、上述したものとは逆になるであろう。即ち、電流供給によって短縮状態から伸長状態への前記糸の移行が得られ、反対に、電流供給の中断は伸長状態から短縮状態へ移行させる。従って、回転結合は、糸１０が伸長状態から短縮状態へ移行する際に、ロータ３に付与されることになり、ステップの途中は前記糸に電気が供給されない。
【００３１】
更なる可能な実施形態では、各アクチュエータ素子１２の少なくとも一部に用いられる形状記憶材料は、電気活性ポリマーまたはＥＡＰ、即ち、電界が印加されると、変形を受けられるポリマー材料とすることができ、特に下記のものから選択される。
【００３２】
・電歪性(electrostrictive)ポリマー、即ち、電界に曝されると、電界と平行なサイズを減少させ、この電界に垂直なサイズを増加させることによって反応するポリマー。
【００３３】
・ＩＰＭＣポリマー（イオンポリマー金属複合材）、即ち、末端が極性液体へイオン化可能な金属イオン複合ポリマー（最も使用されるＩＭＰＣの１つは、デュポン(DuPont)社によるNAFION（登録商標）であり、「人工筋肉」として用いられる。）。
【００３４】
・導電性(conductive)ポリマー、即ち、イオン化が変化すると、自己の機械的特性およびサイズを変化させるポリマーであり、感応素子および機械的アクチュエータとしての多大な利点を伴って使用できる。
【００３５】
本発明は、離散ステップアクチュエータを小型化サイズおよび高い出力密度で実現することができ、これらは減速機や複雑な制御システムを必要とせず、低ノイズで高精度である。この点で、アクチュエータ１の応用は多岐に渡り、特に本発明は、モータ、ポンプ、タービン、シャッタ、フロー偏向器(flow deflector)などの小型化した素子を製作するためのマイクロ電気機械システムまたはＭＥＭＳの分野において、多大な利点を伴って使用できることに留意すべきである。
【００３６】
もし離散アクチュエータステップのシーケンスの急速さが優先される場合、糸１０は、同時ではなく相互に順序よくまたは位相シフトの方法で電流供給される。こうした場合、明らかに、一方では、ロータ３に付与される結合がより小さくなり、他方では、サイクル時間を低減できる。
【００３７】
両方の提案した制御技術は都合良く組み合わせることができ、例えば、糸１０の二つ組(pairs)または三つ組(triplets)に順番に電流供給することによって、所望の結合および所望の駆動速度が得られる。この点で、糸１０の数は、例として上述した数（６つ）に対して変えられることは明らかであり、例えば、１６本の糸１０を４本単位で順番に電流供給することも可能である。
【００３８】
可能な実施形態では、糸１０は、曝される温度、例えばガスや流体の温度を直接に検出することによって、用いるアクティブ材料を準備する際に調整可能な転移値において、前記温度によって駆動されるように動作できる。この点で、例えば、アクチュエータ１は、シャッタを制御するように設計することができ、制御されるように液体中に直接に浸漬することができる。前記液体が第１の所定温度から第２の所定温度へ移行すると、糸は、伸長状態から短縮状態へ（あるいは、用いるアクティブ材料によっては逆に）移行して、そして液体が第１の温度に戻るときに自己の初期状態に戻って、ロータ３の駆動ステップが自動的に得られる。この応用において、糸１０は単一長さの糸でもよく、即ち、Ｕ字状でなくてよく、対応する場所１１に固定された一端と、対応する末端素子１２に取り付けられた他端を有する。
【００３９】
明らかに、本発明の基本的アイデアは同じであるが、本発明の枠組みから離れることなく、構成の詳細および実施形態は、単に例として記述し図示したものに関して、広範に変化させることができる。
【００４０】
ステータ２の機能は、ロータ３に対する固定部分を有するどのような構造でも実施できる。
【００４１】
符号２，３で示した構成部品の機能は、例として上述したものに対して反転することが可能であり、例えば、構成部品３が固定した位置でステータとして動き、構成部品２がロータとして角度運動を行ってもよい。
【００４２】
中央位置にあるステータおよび周囲位置にあるロータを伴う可能な実施形態において、係合台座１４およびスロープ１５はロータの外側周面に規定できることは、当業者にとって自明である。
【００４３】
上述したアクチュエータは、一方向にのみ回転可能であるが、既述したように、極めて小型なサイズ（基本的にはコインのように）を有することができる。この点で、本発明に係るアクチュエータは、同じタイプで反対の回転方向に向いた別のアクチュエータの上に積み上げるように製作することが可能である。こうして各回転方向に１つずつ、２つのアクチュエータを結合することによって、両方の回転方向に駆動可能なコンパクトな装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係るロータリアクチュエータの第１動作状態を示す概略正面図である。
【図２】図１のロータリアクチュエータの第２の動作状態を示す概略正面図である。
【図３】図２と同様に、ロータリアクチュエータの第３の動作状態を示す概略図である。
【図４】本発明の可能な実施形態に係るロータリアクチュエータの一部を示す部分断面斜視図である。
【図１】
2006523431.tif 000003
【図２】
2006523431.tif 000004
【図３】
2006523431.tif 000005
【図４】
2006523431.tif 000006
【国際調査報告】
2006523431.tif 000007
2006523431.tif 000008