(57)【要約】形状記憶素子を用いることによって、環境温度の小さな変化で形状を変化させる一連の装置が作られ得る。これらの装置は形状記憶素子および付勢要素で構成され、装置の熱ヒステリシスが形状記憶素子の本質的な熱ヒステリシスより小さくなるようにされている。これらの装置は、着用者の体の領域の温度にさらされると形状または構造を変化させるよう適合される宝飾品において用いられ得る。【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状記憶素子および付勢要素を含む装置であって、形状記憶素子および付勢要素はともに共働して機械特性活性化温度および機械特性不活性化温度を有する熱ヒステリシスを持つ装置を提供し、活性化温度ＴＡと不活性化温度ＴＤとの差が１０℃未満、好ましくは７℃未満または最も好ましくは５℃未満である、装置。
【請求項２】
付勢要素が形状記憶素子と共働することにより、形状記憶素子にかかる応力が不活性化状態と比べて活性化状態においてより低くなり、その結果、装置の変態範囲が形状記憶素子単独の変態範囲と比べてより小さくなる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
応力が曲げ応力である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記形状記憶素子が制限された動きを有するように阻止要素をさらに含み、その結果装置の熱ヒステリシスが小さくなる、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記形状記憶素子および付勢要素が、形状記憶素子が付勢要素の作用の下で座屈するように適合され、その結果装置の変態範囲が小さくなる、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記形状記憶素子および付勢要素が、付勢要素が形状記憶素子の作用の下で座屈するよう適合される、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
装置の変態範囲が、熱勾配に置かれると装置が繰返し活性化および不活性化されるようになっている、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
装置が２０℃から３２℃の範囲の不活性化温度を有する熱ヒステリシスを示す、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
装置が熱ヒステリシスを示し、２５℃から３５℃の範囲の活性化温度を有する、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の少なくとも１つの装置を含む、宝飾品。
【請求項１１】
複数の部品を含む宝飾品であって、複数の部品は前記宝飾品の外見的な形状または構造を変えるように互いに相対運動するよう適合され、前記宝飾品はさらに、共働して前記相対運動を引起すよう適合された形状記憶素子および付勢要素を含み、前記形状記憶素子は上側および下側の温度変態範囲を有する熱ヒステリシスを示し、前記上側温度変態は、１０℃未満、好ましくは７℃未満およびより好ましくは５℃未満の範囲を含む、宝飾品。
【請求項１２】
形状記憶素子が、１８℃から２５℃の範囲の上側変態開始温度ＡＳを有する、請求項１１に記載の宝飾品。
【請求項１３】
形状記憶素子が、２３℃から３０℃の範囲の上側変態終了温度ＡＦを有する、請求項１１または１２に記載の宝飾品。
【請求項１４】
前記部品が、少なくとも２つの異なる前記外見的な形状または構造の間で自動的に周期変動するよう適合される、請求項１１から１３のいずれかに記載の宝飾品。
【請求項１５】
前記部品が、前記宝飾品が着用者の体の領域に位置付けられると異なる前記形状または構造の間で自動的に動くまたは周期変動するよう適合される、請求項１１から１４のいずれかに記載の宝飾品。
【請求項１６】
前記宝飾品がブローチまたはネックレスを含み、前記相対運動が、外見的に閉じたもしくは折り畳まれた形状または構造と外見的に開いた形状または構造との間で前記部品を動かすまたは周期変動させるよう適合される、請求項１１から１５のいずれかに記載の宝飾品。
【請求項１７】
前記形状記憶素子および前記付勢要素が、請求項１から９のいずれかに記載の装置を含む、請求項１１から１６のいずれかに記載の宝飾品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は形状記憶素子を組込む装置およびその改良に関し、特に、宝飾品、ピアシングまたは医療装置およびインプラントなどの、人もしくは動物の体に近接して着用されるか、またはそのような体の内部に位置付けられる装置での使用に関する。
【０００２】
【発明の背景】
形状記憶および／または超弾性可能な、あるいは形状記憶および／または超弾性を有する、有機的および金属的両方の材料が周知である。形状記憶を示す材料で作られるものは、本来の熱安定性の構造から第２の熱不安定性の構造へ変形し得る。こういったものは、熱を与えるだけでその熱不安定性の構造からその本来の熱安定性の構造へ戻り得るまたは戻ろうとし得る、すなわちその元の形状を「覚えている」という理由から、形状記憶を有すると言われている。
【０００３】
金属合金の中で、形状記憶を備えることができるのは、合金が温度の変化に伴ってオーステナイト状態からマルテンサイト状態へ可逆的な変態を経験するという事実の結果によるものである。オーステナイト相からマルテンサイト相への変態は、図１に表わす温度ヒステリシスを示す。つまり、この変態は単一の値の温度により特徴付けられず、４つの温度すなわちＭＳおよびＭＦ、ＡＳおよびＡＦによってマルテンサイト変態および逆マルテンサイト変態の開始温度と終了温度とをそれぞれ示すことにより、特徴付けなければならない。したがって、このような合金から作られるものは、Ｍｆより低い温度まで冷却されるとその本来の構造から新たな構造へ容易に変形される。このように変形されたものが暖められると、変形された物体はＡＳで開始しＡｆで終了するその本来の構造に戻ることになる。形状記憶材料は形状記憶素子（ＳＭＥ）へと形成されることができ、これは温度に依存して活性化し得る。
【０００４】
多くの形状記憶合金（ＳＭＡ）は超弾性も示すことが公知である。超弾性を示すＳＭＡのサンプルに、Ａｆより高い温度（オーステナイト状態が安定するように）であってＭｄより低い温度（応力下でもマルテンサイト変態が起こり得る最大温度）で応力を与えると、それはまず弾力的に変形した後、臨界応力で、応力により引起されたマルテンサイトの形成によって変態し始める。応力から解放されると、マルテンサイトは不安定になって再びオーステナイトへと変態し、サンプルはその本来の形状に戻る。同様に、熱により引起された変態のように、応力により引起された変態も応力ヒステリシスを示す。
【０００５】
今日、形状記憶合金は、形状記憶および超弾性の特性をうまく利用する広範囲の適用例および製品において見られる。しかしながら、装置を作動させるために形状記憶素子を適用する場合にはいくつかの欠点が伴い、それらの欠点のうち２つが本発明と特に関連している。
【０００６】
第１に、多くの形状記憶合金において、合金がオーステナイト状態とマルテンサイト状態との間で変態すると大きなヒステリシスが生じる。さらに、この変態範囲すなわち｛ＡＳ−ＡＦ｝および｛ＭＳ−ＭＦ｝は、かなり実質的なものであり得る。この結果、ＳＭＡ素子の状態を逆にするには、摂氏数十度の温度の変動または数百ＭＰａの応力の変動が必要となり得る。すなわち、形状記憶素子を組込む装置の活性化および不活性化には、数十度の温度の変動（または数百ＭＰａ）が必要である。たとえば、商業的に入手可能なほぼ等原子的なニッケル−チタン二元合金は、約４０℃のヒステリシス幅を有し得る。全変態範囲｛ＡＦ−ＭＦ｝はたやすく６０℃を超え得る。たとえば、宝飾品など着用される装置の活性化温度が体温に近くなる（３０から３５℃程度）とすれば、不活性化温度は−２０℃より低くなり、そのような装置の実用性が限定されてしまう。装置を取外すためには、凍結状態またはそれと同様の塩／氷の混合物にそれぞれの体の部分を浸漬しなければならず、これは非実用的であるばかりか宝飾品の着用者にとって非常に不快である。
【０００７】
第２に、形状記憶合金は通常、組成および加工の影響を極めて受けやすいので、それらの変態温度を正確に制御することは困難である。結果として、ＳＭＡ素子を組込む装置の活性化温度および不活性化温度の制御が困難になる。
【０００８】
これらの要因の組合せにより、多くの分野で形状記憶素子により作動される装置の実用性が限定される。多くの場合、装置を小さな温度範囲で作動できること、またその作動温度が容易に制御できるかまたはより正確に設定できることが望ましい。
【０００９】
したがって、ＳＭＡ装置の活性化温度および不活性化温度を容易に制御し、かつヒステリシスおよび変態範囲を小さくするための方法を開発することが望ましいとされる。これは特に、哺乳類の体の内部または近傍で用いられる装置に関連している。
【００１０】
形状記憶装置のヒステリシスの形状を変化させるある試みが、ニチノールに関して、ＧＢ−２１４２７２４で考察されている。最近の入手可能な商業化ニチノール合金では、通常２通りの変態が起こる。
【００１１】
・熱ヒステリシスが２〜５℃で、最大せん断ひずみが約１．５〜２％のＲ相変態
・熱ヒステリシスが典型的には２０〜３０℃で、最大せん断ひずみが１０％より上のマルテンサイト変態
ほとんどの形状記憶の適用例において、形状記憶素子の基礎としてマルテンサイト変態が用いられる。これは、より高いせん断ひずみが得られることにより、より大きな偏差を達成できるからである。Ｒ相変態は、せん断ひずみが本質的に低いことから有用性が少ないので、異常であると考えられることが多い。ほとんどの場合、このＲ相変態は冷却中には何らかの様式で（たとえば約３０℃まで）マルテンサイト変態より先に起こるが、加熱中には同時に起こり得る。ＧＢ−２１４２７２４は、アクチュエータの適用例としてニチノールにおける逆Ｒ相変態の使用を提案しているが、上記のような温度の近接性により、Ｒ相変態のみを用いて実用化させることは困難である。
【００１２】
形状記憶素子を組込む装置の活性化温度を変化させるための提案として、たとえばＵＳ−５２６１５９７およびＵＳ−４５２３６０５に記載のように、付勢要素を用いることが公知である。これらの場合、付勢要素を用いることによりヒステリシスはわずかに変化するが、活性化温度と不活性化温度との間にはなおも摂氏数十度の差が残る。たとえば、ＵＳ−４５２３６０５では、たとえ機械的な付勢を用いても、ニチノールの完全な変態の温度ヒステリシスは２０℃を超えると思われる。
【００１３】
形状記憶材料を宝飾品に用いることは公知であり、現在提案されているいくつかの例が、ＤＥ−１９９３４３１２、ＥＰ−０３１３０７０およびＵＳ−６１８３４９０に示され得る。
【００１４】
ＤＥ−１９９３４３１２では、形状記憶材料が超弾性状態で用いられ、陳列のために装飾品を保持する。超弾性特性は、特に、高品質の宝飾品が曲がったり撓んだりしても、加工硬化することなく、または皺などを残すことなく、変形した形から元の形状に戻ることを可能にするために用いられる。陳列される品物はさまざまに変わり得るが、構成されて置かれた後は、宝飾品は、別の陳列のために手動で再構成されない限り、またはそれまでは、同じに見える。
【００１５】
ＥＰ−０３１０７０では、指輪またはブレスレットなどのバンド状の宝飾品が、形状記憶ワイヤの重なり合う巻かれた部分から形成される。これらのバンドには飾りをつけてもよく、着用している間じゅう形状を維持するために超弾性状態の形状記憶材料を用いることができ、はめるため、着用のためまたは取外しのために温度変化は必要ない。一旦、ＤＥ−１９９３４３１２と同様に置かれると、ＥＰ−０３１３０７０の宝飾品は、静止した陳列品となる。はめる際に一時的に変形する場合もあるが、この宝飾品は形状記憶材料の超弾性特性のみを用いており、その構造を着用および形状維持に適した状態にするためだけのものである。なお、この構成において用いられるワイヤのゲージはかなり薄く（たとえば直径０．７ｍｍ）、はめる際に小さな力でバンドを広げることができる。この小さな力を取除くとバンドはそれらの本来の形状へ向けて戻ることができ、これは自由な空間で達成されることになっている。超弾性の素子を開くには小さな力しか必要ないので、サイズまたは体の部分（たとえば指もしくは腕）の異なる人々が、この宝飾品を着用することができる。指／腕などの体の部分が指輪／ブレスレットの内径より太い場合には、この超弾性素子が、その構成要素である形状記憶ワイヤの薄いゲージによる軽い圧力をその体の部分にかけるだけである。
【００１６】
ＵＳ−６１８３４９０には、体のピアシングを最初の形成後に開いたままにするための鋲の構成が開示される。この構成では、鋲の裏側の突起が耳朶の後の係留部材の内部で変形して見えないようにその鋲を定位置に係留する。形状記憶材料は機械的な保持特性を与えるためだけに用いられており、上述の保持手段のうちの一実施例にすぎない。
【００１７】
宝飾品の世界では、着用者にアピールするようなファッションおよびスタイルの表現を模索するという問題が絶えず、本発明の目的は、改良された宝飾品の構成を提供することである。本発明の別の目的は、形状記憶合金などの形状記憶材料から形成された素子を組込む、改良された宝飾品の構成を提供することである。本発明のさらなる目的は、そのような宝飾品を製造するための改良された方法を提供することである。
【００１８】
【発明の概要】
本発明の一局面において、少なくとも１つの形状記憶素子を組込む装置が提供され、この装置は、（ｉ）活性化温度と不活性化温度との間の温度範囲の実質的な減少と、（ｉｉ）活性化温度および不活性化温度を制御するための簡単な方法とをもたらす。特有の形状記憶合金は、小さなヒステリシスおよび小さな変態範囲を示す。そのようなヒステリシスの小さい合金から作られるＳＭＡ素子を上記装置に組込むことにより、改良された装置が生じる。この合金は金属合金であり得る。
【００１９】
本発明は、形状記憶素子と付勢要素とを含む装置であって、この形状記憶素子と付勢要素とが共働して活性化温度と不活性化温度とを有する装置をもたらし、活性化温度ＴＡと不活性化温度ＴＤとの差が１０℃以下、好ましくは７℃以下または最も好ましくは５℃以下である、装置を提供し得る。付勢要素と形状記憶素子とが共働し得ることにより、形状記憶素子にかかる応力は、不活性状態と比べて活性状態でより小さくなり、その結果、形状記憶素子単独の変態範囲と比べてこの装置の変態範囲が小さくなる。この応力とは曲げ応力であり得る。この装置はまた、上記形状記憶素子が制限された動きをするように、阻止要素を含み得る。これにより、装置の変態範囲が小さくなる。形状記憶素子および付勢要素は、形状記憶素子が付勢要素の作用を受けて座屈するようにされ得るので、結果として装置の変態範囲が小さくなる。また、形状記憶素子および付勢要素は、付勢要素が形状記憶素子の作用を受けて座屈するようにされ得るので、結果として装置の変態範囲が小さくなる。装置の変態範囲は、ある温度勾配に置かれたときにその装置が繰返し活性化および不活性化されるような範囲であり得る。好ましくは、この装置は２０〜３２℃の範囲の不活性化温度を有する熱ヒステリシスを表わす。この装置は、２５℃から３５℃の範囲の活性化温度を有し得る。好ましくは、そのような何らかの装置が、ネックレスまたはブレスレットまたはブローチなどの宝飾品に含まれる。
【００２０】
本発明はまた、複数の部品を含む宝飾品を提供し、これら複数の部品は、上記宝飾品の外見的な形状または構造を変化させるように互いに対して相対運動するようになっており、上記宝飾品はさらに、共働して上記相対運動を引起すようになっている形状記憶素子および付勢要素を含み、上記形状記憶素子は上側および下側の温度変態範囲を有する熱ヒステリシスを表わし、前記上側の温度変態は、１０℃以下、好ましくは７℃以下、より好ましくは５℃以下の範囲を含む。
【００２１】
上記形状記憶素子は、１８℃から２５℃の範囲の上側変態開始温度ＡＳを有し得る。この形状記憶素子は、２３℃から３０℃の範囲の上側変態終了温度ＡＦを有し得る。
【００２２】
上記部品は、少なくとも２つの異なる上記外見的な形状または構造の間を自動的に周期変動するようにされ得る。これらの部品は、上記宝飾品が着用者の体の領域に位置付けられると異なる上記形状または構造の間を自動的に動くようにまたは周期変動するようにされ得る。
【００２３】
上記宝飾品はブローチまたはネックレスを含むことができ、上記相対運動は、上記部品を外見的に閉じたもしくは折り畳まれた形状または構造と外見的に開いた形状または構造との間で、動かすまたは周期変動させるようにされ得る。上記形状記憶素子および付勢要素は、本発明に従った装置を構成し得る。
【００２４】
したがって、本発明は、活性化温度と不活性化温度との温度差が非常に小さく、かつ活性化温度および不活性化温度が容易に制御可能な、改良された装置を提供する。
【００２５】
ここで、以下の図面を参照して本発明を説明する。
【００２６】
【例示的な実施の形態の詳細な説明】
本発明は特定の実施の形態および図面に関して記載されるが、それらに限定されることなく、請求の範囲によってのみ限定される。この特許出願の公開については許可が下りているが、特に図示した宝飾品の著作権または意匠権などのすべての権利は、他の第三者に対して維持される。
【００２７】
形状記憶素子のヒステリシスおよび変体範囲について、またその装置の活性化温度と不活性化温度との差をいかに小さくできるかについて詳細に述べることにより、本発明を考察する。本発明の一局面によれば、ＴＡとＴＤとの差は１０℃以下、好ましくは７℃以下、最も好ましくは５℃以下である。以下の方法は、任意で組合されて、これらのレベルを達成し得る。ここに提示する実施例のさらなる利点は、結果として非常にコンパクトな設計になることである。これは、いかなる可動部分も宝飾品の美的外観を損なわないように小さくすべきであるという宝飾品の設計において、非常に重要である。
【００２８】
［形状記憶素子の変態範囲：ヒステリシスの小さい形状記憶合金の使用］
形状記憶合金は、図１に示すように、順変態と逆変態との間にヒステリシスを示す。したがって、形状記憶素子により作動される装置は、温度差としてたとえば図１に示すヒステリシス曲線の中心または中央線（水平）で規定され得る、順および逆の形状変化の間に温度ヒステリシスを示す。形状記憶素子の本質的なヒステリシスは、したがって、このような材料を利用するいかなる装置にも反映されることになる。今日の形状記憶合金の適用例の多くが、ほぼ等原子的なニッケル−チタン二元合金を用いている。このようなニッケル−チタン合金は、典型的には約４０℃のヒステリシス幅を有する。しかしながら、適切に処理された特有の合金はそれよりもかなり低いヒステリシスを示す。その例は、
・Ｃｕ−Ｚｎ−ＡｌおよびＣｕ−Ａｌ−ＮｉなどのＣｕ系形状記憶合金、および特にその単結晶
・Ｎｉ−Ｔｉ−Ｘ合金、特にＮｉ−Ｔｉ−Ｃｕ−Ｘ系合金（ＸはＦｅ、Ｃｒなど）、およびその単結晶
・Ｎｉ−Ｔｉ合金およびＮｉ−Ｔｉ−Ｘ合金、これらの合金におけるＲ相遷移の使用によるもの、および特にＮｉ−Ｔｉ−Ｆｅ合金
・Ａｕ系形状記憶合金およびその単結晶
ヒステリシスの小さい合金の素子を装置内に組込むことにより、これらの装置のヒステリシスもかなり小さくなるであろう。
【００２９】
別の重要点は、ヒステリシス曲線の上側および下側の変態範囲、｛Ａｓ−Ａｆ｝および｛Ｍｓ−Ｍｆ｝がかなり実質的であり得るという点である。図１には、活性化温度Ｔａの「オン」状態から不活性化温度Ｔｄの「オフ」状態へ、またその逆に切換えるために、ヒステリシスおよび２つの変態範囲を克服しなければならないことが示される。変態温度範囲が大きいと、そのような装置の動作は遅く／鈍くなる。
【００３０】
したがって、活性化温度と不活性化温度との間の差を最小にするためには、変態範囲もまた最小にしなければならない。これらの変態範囲は、たとえば一局面では適切な合金の選択および適切な加工によって最小化され得る。この最小化は、熟練者の知識に基づいてなされ得る。したがって、ヒステリシスおよび／または変態範囲の小さい形状記憶合金の素子を選択することにより、活性化温度と不活性化温度との差がより小さくなるような装置を得ることができる。しかしながら、正確な活性化温度の設定はなおも問題として残る。
【００３１】
［付勢要素の使用による変態温度および縮小したヒステリシスの調節］
形状記憶合金の変態温度は、組成および加工に依存する。つまり、変態温度は、組成および加工を制御することにより、ある程度まで制御できる。しかしながら、この方法で形状記憶合金の変態温度を十分正確に制御するのは困難である。
【００３２】
形状記憶素子により作動される装置のほとんどにおいて、形状記憶素子は付勢要素に対抗して動く。したがって、ＳＭＡ素子は加熱すると力と動きを発生し、よって作動する。最も単純な動作モードは、一定の力に対抗して作用するＳＭＡワイヤである。図２に概略的に示すように、付勢力が大きくなると変態温度も高くなることは公知である。これはすなわち、付勢要素を適切に選択し、かつ／または調節可能な付勢要素を設置することにより、装置の活性化温度および不活性化温度をさらに調節することができる、ということである。
【００３３】
本発明の実施例に従った変態温度の正確な制御は、このように、形状記憶素子の組成および加工を適切に選択し、付勢要素の適切な選択および／または調節可能な付勢要素（たとえば圧縮ばねなどの付勢要素およびそのばねの最初の付勢を調節するためのねじ）を設置することにより最終的な調節を行なうことで得られる。付勢されたシステムにおけるヒステリシス（℃の差）は、通常、応力を受けない形状記憶素子におけるものよりも小さいことがわかっている。したがって、付勢要素の適用は、装置のヒステリシスを小さくするためにも用いられ得る。
【００３４】
［部分的な変態を用いることによるヒステリシスおよび変態範囲の縮小］
まず得られた近似の結果では、ヒステリシス（℃の差）は、当該変態量に比例している。したがって、図３に示すように、周期的な部分変態はより小さなヒステリシスおよび部分変態範囲を表わすことになる。ＴＤとＴＡとの差もまた減じられる。部分変態は基本的に２つの方法で行なわれ得る。
【００３５】
１．加熱中および／または冷却中に阻止要素によりさらなる形状変化が妨げられるような態様で装置が設計され得る。これにより、活性化温度と不活性化温度との差が小さくなる。
【００３６】
２．外部の状況もまた部分変態を引起し得る。たとえば、形状記憶素子は暖かい物体（たとえば哺乳類の体）の上または中に置かれ得る。加熱および冷却がそれぞれ行なわれる場合、体温は、ＳＭＡ素子のそれぞれ最小および最大温度になる。体温がＭＳとＭＦとの間、またＡＳとＡＦとの間にそれぞれ位置付けられる場合、活性化温度と不活性化温度の差がより小さい、部分変態が得られることになる。
【００３７】
［減少する付勢応力を与えることによる変態範囲の縮小］
ＳＭＡ素子を組入れる装置のほとんどにおいて、付勢要素は、図４に示すように、ＳＭＥ素子が活性化されると、ＳＭＡ素子に（ｉ）一定のまたは（ｉｉ）増加していく付勢応力を与える。一定の付勢の場合、変態温度範囲｛ＡＦ−ＡＳ｝および｛ＭＳ−ＭＦ｝はほとんど影響を受けないであろう。第２の場合、変態範囲は大きくなる。したがって、活性化温度と不活性化温度との温度差もまた増加する。
【００３８】
本発明の一実施例によれば、付勢要素が形状記憶素子と共働することにより、温度が高くなるとＳＭＡ素子にかかる付勢応力が減じられるという、付勢システムが提供される。このような場合、変態温度範囲｛ＡＦ−ＡＳ｝および｛ＭＳ−ＭＦ｝は小さくなる。したがって、活性化温度ＴＡと不活性化温度ＴＤとの温度差もまた小さくなる。変態範囲が縮小した結果、「スナップ作用」に近い活性化作用が生じ、かつ、ＳＭＥの状態を変化させるのに必要な温度変化が減じられる。
【００３９】
［座屈による変態範囲の縮小：スナップ作用機構］
本発明のさらなる実施例は、付勢要素とＳＭＡ素子とのうちの一方が冷却中に座屈し、加熱中に「逆座屈」するという装置を含む。冷却中のＳＭＡ素子のスナップ変化は、ほぼ一定の温度（不活性化温度）で起こり、加熱中の逆の形状変化もまたほぼ一定の温度（活性化温度）で起こり、これは、予め付勢された圧縮ばねであり得る付勢要素により圧縮される形状記憶プレートの例について概略的に図５ａおよびｂに示した装置について、図５ｃに表わしたとおりである。ＳＭＥの安定状態は、図５ａに示すような平坦なプレートである。支持体２が設けられ、それには、同一面上の細長いＳＭＥ６に対して作用するばねなどの圧縮付勢要素４が取付けられる。活性化温度より高温で、プレートまたはロッドなどの細長いＳＭＥ６は真っ直ぐになる。冷却中、付勢要素４が与える圧縮応力により、ＳＭＥ６が弱くなることによってこの真っ直ぐな形状は不安定になる。したがって、臨界温度で、ＳＭＥ６は図５ｂに示すようなカーブした形状に座屈する。この後の加熱中には、より高い温度で逆のことが起こり、カーブしたＳＭＥ６は機械的強度を得て元の真っ直ぐな形状に「逆座屈」する。要するに、このスナップ作用機構によって、両方の変態範囲は、図５ｃに示すように、ほぼ、一定の単一の温度にまで減じられる。
【００４０】
本発明にはまた、この座屈効果を高めるまたは調節するための方法も含まれる。たとえば、細長いＳＭＡ素子６（たとえばプレートまたはロッド状）の場合、ＳＭＥ６の中央部分を弱くする（たとえば薄くする）ことにより、座屈が向上しかつ調節され得る。このスナップ作用機構をＳＭＡ素子を組入れる装置は、ここに提示した例に限定されず多種多様な装置に適用することができ、当該ＳＭＡ素子は、プレート状またはロッド状のＳＭＡ素子に限定されない。
【００４１】
図５ｄから図５ｉにはさまざまな設計の付勢要素が示される。図５ｄにおいて、たとえば引張ばねである付勢要素４が、細長いＳＭＥ６の両端に取付けられて示される。この引張ばねは、ＳＭＥ６に圧縮力を与え、図５ｅに示すように、臨界温度より低い温度でそれを座屈させる。図５ｆでは、この細長いＳＭＥ６の上におもり８が付勢要素として置かれている。図５ｇに示すように、ＳＭＥ６は臨界温度より低い温度で座屈する。おもり８が出す力が一定であるという事実にもかかわらず、ＳＭＥ６の中心における曲げモーメント（すなわち応力）は温度が低いほど大きくなる。
【００４２】
ＳＭＥを座屈させる代わりに、付勢要素を座屈させてその付勢力を小さくすることにより、さらなる有用な効果を出すことができる。図５ｈおよび図５ｉに一実施例を示す。付勢要素４は、細長いＳＭＥ６（たとえばロッド、ストリップまたはプレート）が活性化状態（高温、硬い特性）にあるとき図５ｈに示すように座屈される、ばねストリップである。温度が降下するとＳＭＥ６は弱くなり、図５ｉに示すように座屈する。ＳＭＥ６と付勢要素４とに機械的な連結機構を取付けることにより、活性化状態と不活性化状態との両方で動くように作動され得る。これにより、非常にコンパクトで効率のよい二重動作スイッチが生じる。ＳＭＥ６の近くに熱源８を設けると、周期的な作用が達成され得る（以下参照）。
【００４３】
このスナップ作用機構は、いわゆるオン・オフアクチュエータにおいても用いられ得る。
【００４４】
［温度勾配における装置の作用：一定の熱条件で作用／反応する装置］
本発明の実施例は、熱勾配が小さくなるのとは逆の方向にＳＭＡ素子が動く、すなわち環境よりも温度の高い熱源に向けて動く、装置を含む。熱源からの距離が大きくなると温度が降下するという温度勾配になっている。この装置の動作は、上記のスナップ作用機構との組合せに特に関連している。図５の実施例は、熱源８の近くに置かれると、図５ａおよびｂに示すように、この動作を表わす。不活性化状態において、細長いＳＭＥ６はカーブしており（図５ｂ）、熱源８に近い。熱源８からの伝熱の結果、ＳＭＥ６の温度が上昇する。臨界的な活性化温度において、ＳＭＥ６は「座屈して戻り」、熱源８から離れる（図５ａ）。温度勾配によって、ＳＭＥはここで冷却され始める。臨界不活性化温度で、ＳＭＥ６は再び座屈する。この周期変動（図５ｃのＡＢＤＣ、ＳＭＥが経験する温度勾配はＴｅから温度Ｔｓの曲線で示される）は、温度勾配が存在する限り繰返されることになる。このサイクルの周期は温度勾配に依存するが、上記で説明したように、装置の設計ならびに形状記憶素子の選択および加工によって、また完成した装置の熱的質量によって、制御することもできる。明らかに、温度勾配が比較的小さい場合、ヒステリシスおよび変態範囲をさらに小さくするためには、非常に低いヒステリシスを有する形状記憶素子を、任意で上述した方法と組合せて、選択しなければならない。
【００４５】
図６ａから図６ｃに示すように、温度勾配において装置の鋭く明確な周期変動を得るためには、スナップ作用機構（小さな変態範囲）が好ましい。図６ａおよび図６ｂでは、形状記憶素子６は阻止支持体２のキャビティ内に拘束され、阻止部２はその上側表面近傍に溝３を有し、その中にＳＭＥ６が嵌まる。ＳＭＥ６は、ＳＭＥ６の中心に垂直に作用する圧縮ばねなどの付勢装置４により付勢される。変態範囲は、図５ｃ（スナップ作用なし）におけるものより大きくなる。この状況において、ＳＭＥ６は２つの半安定位置のうちの１つ、すなわちヒステリシスループの位置Ｂにより決定されたＳＭＥ６の位置（曲がった位置では位置Ｐ２）、を見つけることができる。そうでなければ、ＳＭＥ６はヒステリシスループ上のＤにより決定された位置（位置Ｐ１）を取る。なお、ばね４が出す力は不活性化状態（低温状態）においてより低く、ＳＭＥ６における曲げ応力は曲げの量が多いにもかかわらずより低くなる。このような装置は、装置が位置Ｃで開始するか位置Ａで開始するかに依存して、２つの半安定位置のうちの一方へ動くことができる。環境状態が再び変わると、装置は他方の半安定位置を取り得る。この装置は機械的な双安定フリップフロップまたはスイッチである。
【００４６】
［環境温度の小さな変化に反応するブローチ］
従来のブローチは形状が固定されている。本実施例によれば、熱により活性化される可動部分を備えたブローチが提供される。これらの部分は、局所温度に変化があると動くようになっている。一例では、このブローチはドレスの上でありかつコート（など）の下に位置付けられる。この場合、ブローチの温度は比較的体温に近くなる。コートを脱ぐと、ブローチの局所温度は室温により近い温度まで下がる。この結果、ブローチの可動部分が閉じるまたは開くのいずれかで活性化されることになる。
【００４７】
このような小さな温度変化の源として他のものも用いられ得る。たとえば、人が歩き回っているときは、その人が椅子に静かに座っているときよりも局所温度が室温に近くなる。別の例としては、人が暖かい所から寒い所へ移動したとき、もしくはその逆のとき、または部屋自体の温度が変化したときなどである。
【００４８】
ブローチの可動部分は小さな温度差に反応すべきである。本発明の一実施例として、ブローチ１２は装飾的なデザイン（たとえば図７ａおよび図７ｂに示すように動く羽根１６を備えた孔雀１４の形状）を有する。これらの羽根１６は、本発明の一実施例に従った装置、すなわち図７ｃおよび図７ｄに概略的に示すような小さな細長い（たとえばビーム状の）形状記憶素子６に対抗して作用する曲げワイヤなどの付勢要素４の組合せに従った装置により、活性化される。ブローチ１２は詳細は異なるが原則的には図６に示すものと同様の機械的双安定フリップフロップ装置である。図７ｃに示すように、温度が高いとき（形状記憶素子の活性化状態）、ワイヤばね４が曲がり、形状記憶素子６に大きな曲げモーメントを及ぼす。ＳＭＥ６は支持体２上に装着される。この状態で、形状記憶素子６は非常に硬く、ほぼ真っ直ぐである。温度が低くなるにつれて、形状記憶素子６は弱くなり、容易に曲がるようになる（図７ｄ）。この運動は、連結機構７を用いて羽根１６のうちの１つを動かすために用いられる。この運動（部分的な変態）を制限するために、阻止要素６が用いられ、これは支持体２の部分となり得るストップ１１に対して押しつけられる。
【００４９】
本実施例は以下の特徴を利用して、１０℃以下、より好ましくは７℃以下または最も好ましくは５℃以下というＴＡ−ＴＤの差を得る。
【００５０】
非常に小さなヒステリシスを有する形状記憶素子の使用。
−Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ単結晶を「セントロ・アトミコ・バリロチェ（Ｃｅｎｔｒｏ Ａｔｏｍｉｃｏ Ｂａｒｉｌｏｃｈｅ）」（アルゼンチン、サン・カルロス・デ・バリロチェ（Ｓａｎ Ｃａｒｌｏｓ ｄｅ Ｂａｒｉｌｏｃｈｅ）８４００、 Ａｖ．ブスティージョ（Ａｖ． Ｂｕｓｔｉｌｌｏ）９，５００、担当者：マルコス・サデ（Ｍａｒｃｏｓ Ｓａｄｅ））から入手した。これらのＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ単結晶から小さなビーム状素子を切り取った。適切な熱処理を行なった（たとえば、まず８２５℃で３０分間、続いて１２０℃で５０分間）。
【００５１】
−付勢応力を与えることによる変態範囲の調節。これは、ばねの予備付勢を選択することにより達成される。最初の付勢圧を調節することにより、活性化温度および不活性化温度は適切な値へ変移され得る。
【００５２】
−部分変態を用いることによるヒステリシスおよび変態範囲の縮小。形状記憶プレートの形状変化は、翼の動きが限られた変位のみ可能であるので、限定される。このために、動きは阻止要素により制限される。変位の大きさを調節することにより、また形状記憶ビームの寸法および正確な位置付けを調節することにより、部分変態の度合が制御され得る。任意で、この装置にはスナップ機構が構築され得る。
【００５３】
［小さな温度勾配において周期的に動くネックレスアクチュエータ］
本発明の一実施例は、図８ａに概略的に示すネックレスを提供し、このネックレスは機構によって花びら１９が開いたり閉じたりすることになっている少なくとも１つの花１８を含む。この実施例では、花１８は、全体的な室温が一定であってもネックレスの着用者の人体近くのわずかな温度勾配によって、周期的な態様で繰返し開いたり閉じたりする。付勢要素は、図８ｂおよび図８ｃに示すように、細長い形状記憶素子６と平行した１つ以上の引張ばね４である。ＳＭＥ６は支持体２に装着される。活性化状態（高温状態）において、形状記憶材料は硬く、ＳＭＥ６は真っ直ぐである。形状記憶素子６にかかる曲げ応力は、引張ばね４が形状記憶素子６からほとんど外れていないので、小さい（図８ｂ）。この状態では、ＳＭＥ６は人体または他の熱源８から最も遠い。温度が降下するにつれて、形状記憶材料は弱くなって曲がり、より低い温度で高い曲げ応力を生じることになる（図８ｃ）。この動きにより、花１８の花びら１９が開いたり閉じたりする。ＳＭＥ６は熱源８の近くへと動き、再び暖まり始めるので、その結果周期的な作用が生じる。ストップ９（たとえば支持体２の部分）を妨げる阻止要素９を用いてこの動きを制限し、よってヒステリシスを小さくすることもできる。
【００５４】
この実施例では、本発明の次の特徴が装置に一体化されており、１０℃以下、より好ましくは７℃以下または最も好ましくは５℃以下というＴＡ−ＴＤの差が得られる。
【００５５】
−非常に小さなヒステリシスを有する形状記憶素子の使用
Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ単結晶を「Ｃｅｎｔｒｏ Ａｔｏｍｉｃｏ Ｂａｒｉｌｏｃｈｅ」（Ａｖ． Ｂｕｓｔｉｌｌｏ ９，５００； ８４００ Ｓａｎ Ｃａｒｌｏｓ ｄｅ Ｂａｒｉｌｏｃｈｅ， Ａｒｇｅｎｔｉｎａ、
担当者：Ｍａｒｃｏｓ Ｓａｄｅ）から入手した。これらのＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ単結晶からプレート状の素子を切り取った。その後適切な熱処理を施した（８２５℃で３０分間、続いて１２０℃で５０分間）。
【００５６】
−減少する付勢応力を与えることによる変態範囲の縮小。付勢要素を、ＳＭＥ素子が活性化されると付勢応力が（図５ａおよび図５ｂに示した設計と比較して）減少するような態様で配置される。この結果、活性化温度と不活性化温度との差が小さくなる。最初の付勢圧を調節することにより、活性化温度および不活性化温度は適切な値へ変移され得る。
【００５７】
−部分変態の使用によるヒステリシスおよび変態範囲の縮小。形状記憶プレートの形状変化は、花びらの動きが限られた変位量に制限されているので、限定される。たとえば適切な阻止または制止素子によってこの変位量の大きさを調節することにより、また、形状記憶プレートの寸法および正確な位置付けを調節することにより、部分変態の程度を制御することができる。
【００５８】
−温度勾配と組合せたスナップ機構。このスナップ機構を得るために、形状記憶プレートは、好ましくは中央をいくらか薄くしたような態様で形作られ、（図５ａおよび図５ｂに示した設計と比較して）適切なところに付勢ばねが配置される。この装置は、体温から室温への温度勾配を用いるために、形状記憶プレートが体の近くに位置付けられるような態様で構成される。座屈（冷却の結果生じるもの）により、形状記憶素子は体の方へ動くことになる。これにより、形状記憶プレートは体により近くなり、形状記憶素子の温度が体熱によって上昇する。臨界活性化温度で、形状記憶プレートは「座屈から戻り」体から離れるので、低温の環境へ移る。これに応じて、形状記憶プレートの温度が下がる。臨界不活性化温度で、形状記憶プレートは座屈して体の方へ動き、よってより高温の環境へ動く。この連続した「座屈戻り」と座屈とが継続される。
【００５９】
【本発明のさらなる実施の形態】
本発明の上述の特徴を用いて多くの医療の適用例のための開閉アクチュエータを提供することができる。非常に小さな温度差（たとえば体熱）を用いることにより、またスナップ作動を設けることにより、作動が繰返し行なわれ得る。
【００６０】
これらの特徴は、
・非常に小さな温度差に反応するアクチュエータと、
・局所温度の差（たとえば体の近く）を用いることにより一定の環境温度で繰返し作用／反応するアクチュエータと、
・一体化されたスナップ機構と組合されて、局所温度の差（たとえば体の近く）を用いることにより一定の環境温度で繰返し作用／反応するアクチュエータとを提供する。
【００６１】
［バンド］
本発明の実施例は、犬または人などの哺乳類が着用するブレスレットおよびネックレスなどのバンドを含む。これらのバンドは、低温にさらされるとそれぞれの体の部分に巻かれるように開き、その後その哺乳類の体の温もりで加熱されると閉じることができる。
【００６２】
この開閉機構はいかなるバンド状の製品（医療用の適用例も含む）にも適用でき、次にその一例を挙げる。ブレスレット、リング（イヤリング、ピアス、医療用インプラントなどを含む）、ネックレス、結合装置（工業用、医療用）、封止機構および閉鎖機構など。
【００６３】
このようなバンドは理想的には次の特徴を有すべきである。
・バンド（別の要素に一体化される場合もある）は、ヒンジ、ロック、ねじなどを何ら設けることなく、物体の周囲または内部にうまく適合され得る。
【００６４】
・このバンドは高温で閉じすなわち膨張し、低温で開きすなわち収縮し得る。
・このバンドの形状は温度差に伴って変化する。
【００６５】
形状記憶合金および形状記憶ワイヤの加工は、変態温度ＡＳ、ＡＦ、ＭＳおよびＭＦを有するために、必要な範囲内で行なわれる（以下参照）。ブレスレットの例では、以下が理想的であると考えられる。
【００６６】
１．理想的な解決策は、ブレスレットが低温で開くことができ、室温または室温よりわずかに上の温度でその開いた形状を保つことができることである。こうすれば、開いた形状のブレスレットを容易に保管および運搬できる。これに対応する技術的な要求は、ＡＳおよびＡＦを十分高くすべきであるという点である。
【００６７】
２．体温とＡＦとの温度差が大きくなるほど、冷たい形状から熱い形状への形状変化がより速くなる。実用上および美観上の理由から、十分速い動作が要求される。すなわち、ＡＦは体温より十分低くなければならない。
【００６８】
３．実用上の理由から、十分高い温度でブレスレットを開けることができるようにすべきである。つまり、ＡＳを十分高くすべきである。
【００６９】
４．また、上記の要求と組合せて、逆変態についても同様に美観上および実用上の理由から、小さな温度範囲が好ましい。
【００７０】
５．一例として、ＡＳは２２℃の近傍（１８℃から２５℃の間）であり、ＡＦは２８℃の近傍（２３℃から３０℃の間）であるのが好ましい。
【００７１】
６．ＡＦとＡＳとの差は、好ましくは１０℃以下、より好ましくは７℃以下、また最も好ましくは５℃以下である。この理由は、このようなブレスレットはＡＳより摂氏何度か低い温度で開き得るからである。したがって、ＡＳはそれほど低くすべきではない。そうでなければ低温を与えなければならず、これは着用者にとって不都合になり得る。
【００７２】
形状記憶素子は多くの形状記憶材料から作られ得る。いくつか例を挙げる。
・二元ニッケルチタン（Ｎｉ−Ｔｉと省略される）
・他の合金要素を有するニッケルチタン
・他の合金要素を有するニッケルチタン銅
・ニッケルチタン銅クロム
・Ｃｕ系の形状記憶合金（ＣｕＺｎＡｌおよびＣｕＡｌＮｉでさらなる合金要素を有するものなど）
・Ａｕ系の形状記憶合金
ほとんどの形状記憶合金の変態温度は、組成および加工に依存する。適切な変態温度を得るためには、適切な組成であって適切な加工を受けた合金を選択しなければならない。これは当業者によってなされ得る。
【００７３】
［バンドの製造］
出発材料は、正確な寸法を有し、適切な加工を受けている適切な合金から作られるワイヤ、ストリップなどである（上記参照）。バンドのさらなる製造は、（ｉ）形状設定処理、（ｉｉ）追加の熱処理、（ｉｉｉ）研磨および着色処理、ならびに（ｉｖ）他の物体の付加などのいくつかの工程を伴い得る。ここで述べた連続工程は単なる例示であり、この後に他の工程を行なうこともできる。すべての処理および手順は、形状記憶合金の製品の開発および作製において経験を有する者によって行なわれ得る。
【００７４】
［形状設定処理］
この工程では、形状記憶素子に熱成形が施される。これは典型的には、（ｉ）マンドレルを適切な形状で生成すること、（ｉｉ）形状記憶素子をマンドレルの上またはまわりに固定すること、（ｉｉｉ）固定された形状記憶素子を備えたマンドレルを加熱炉など（溶融塩浴など）に適切な時間、適切な温度で入れること、および（ｉｖ）冷却し、マンドレルから形状記憶素子を取外すことを含む。この後、形状記憶素子は要求通りの熱成形を有することになる。Ｎｉ−Ｔｉ系素子の例を挙げると、熱処理温度および時間は典型的には４００〜５５０℃で２時間３０分である。ただし、この後に他の手順が行なわれ得る。
【００７５】
［追加の熱処理］
変態温度を変移させるために、または形状記憶素子の延性を変更するために、さらなる熱処理が必要となる場合がある。
【００７６】
［研磨および着色］
美観上の理由から、研磨および着色処理が必要な場合もある。研削および研磨（電解研磨または機械研磨）により金属を着色する。Ｎｉ−Ｔｉ系素子の場合は、適切な熱処理により黄、青、黒および中間表面色が得られる。コーティングおよび塗装によって他の色を得ることもできる。
【００７７】
［他の物体の付加］
他の物体を形状記憶素子に接続させることができる。たとえば、美観上の理由からダイヤモンドや金の玉などを形状記憶素子に付けることができる。
【００７８】
本発明は好ましい実施の形態を参照して図示および説明してきたが、当業者には、本発明の範囲および精神から逸脱することなく形式および詳細において種々の変更または変形を行なうことができるとわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】形状記憶素子についての特性変化（長さなど）対温度の概略図である。ヒステリシス、活性化温度ＴＡ、不活性化温度ＴＤおよび変態温度ＭＳ、ＭＦ、ＡＳ、ＡＦが示される。
【図２】付勢力の効果を概略的に示す。特性Ｐが温度Ｔに対して示される。より高い付勢力を与えることにより、変態温度はより高い温度へ変移する。
【図３】本発明の一実施例である、ヒステリシスを減じるための部分的な変態の使用を表わす。位置１から位置２へおよびその逆の動きは部分的な変態のみを伴う。活性化温度ＴＡと不活性化温度ＴＤとの差はこの部分的な変態により小さくなる。
【図４】変態範囲における種々の付勢システムの効果を表わす図である。
【図５ａ】スナップ機構を用いた、本発明の一実施例に従った装置の１つの状態を示す。
【図５ｂ】スナップ機構を用いた、本発明の一実施例に従った装置の他の状態を示す。
【図５ｃ】周期動作を示す、熱源の近くに配置されたときの図５ａおよびｂに示す装置についてのヒステリシスループを示す。
【図５ｄ】本発明の代替的な実施例であり、活性化状態の形状記憶素子においてより低い応力を有する。
【図５ｅ】本発明の代替的な実施例であり、活性化状態の形状記憶素子においてより低い応力を有する。
【図５ｆ】本発明の代替的な実施例であり、活性化状態の形状記憶素子においてより低い応力を有する。
【図５ｇ】本発明の代替的な実施例であり、活性化状態の形状記憶素子においてより低い応力を有する。
【図５ｈ】本発明の代替的な実施例であり、活性化状態の形状記憶素子においてより低い応力を有する。
【図５ｉ】本発明の代替的な実施例であり、活性化状態の形状記憶素子においてより低い応力を有する。
【図６ａ】スナップ機構を用いていない、本発明の一実施例に従った装置の１つの状態を示す。
【図６ｂ】スナップ機構を用いていない、本発明の一実施例に従った装置の他の状態を示す。
【図６ｃ】熱源の近くに配置されると２つの半安定位置Ｐ１およびＰ２を示す、図５ａおよびｂに示した装置についてのヒステリシスループを示す。
【図７ａ】本発明の一実施例に従ったブローチの１つの状態を示す。
【図７ｂ】本発明の一実施例に従ったブローチの他の状態を示す。
【図７ｃ】図７ａおよびｂのブローチのための活性化装置の１つの状態を示す。
【図７ｄ】図７ａおよびｂのブローチのための活性化装置の他の状態を示す。
【図８ａ】本発明の一実施例に従った、可動の花を有するネックレスを示す。
【図８ｂ】温度勾配に置かれると周期的に活性化する、図８ａのネックレスのための活性化装置の１つの状態を示す。
【図８ｃ】温度勾配に置かれると周期的に活性化する、図８ａのネックレスのための活性化装置の他の状態を示す。
【図１】
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【図４】
2004518510.tif 000003
【図５ａ】
2004518510.tif 000004
【図５ｃ】
2004518510.tif 000005
【図６ａ】
2004518510.tif 000006
【図６ｃ】
2004518510.tif 000007
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004518510.tif 000042
2004518510.tif 000043
2004518510.tif 000044