(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状記憶合金からなるとともに端部が出力部となっているコイルと、該コイルに軸方向のバイアス力を加えるバイアス部材と、コイルに絶縁材を介して接触する熱電素子とからなり、熱電素子によるコイルの加熱・冷却でコイルに伸縮動作を行わせるものであって、絶縁材はその外面または内面の一方の断面形状が多角形、他方の断面形状が円形となっている筒形であり、多角形断面となっている面に上記熱電素子が接しており、円形断面となっている面に上記コイルが接触していることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
絶縁材の円形断面となっている内面の内周もしくは外面の外周に潤滑媒体を介してコイルを配置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３】
熱電素子及び熱電素子が接合された絶縁材が柔軟材料で形成されて伸縮自在となっ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４】
熱電素子のコイルと反対側の熱交換面にヒートパイプを接続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５】
絶縁材はコイルの周方向に分割されていてるとともにコイルの径方向にバイアス力を作用させるバイアス部材で結合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６】
絶縁材はコイルの径方向に伸縮自在な弾性体で形成されていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
形状記憶合金からなるコイルが複数並列に配設されているとともに各コイルの端部が同一出力部に連結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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は伸縮型のアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アクチュエータとして、特公昭６３−２８７５３号公報には、片持ち支持された形状記憶合金素子と、該形状記憶合金素子に一面を接触させた熱電素子とからなるものが示されている。熱電素子による形状記憶合金素子の加熱または冷却で形状記憶合金の形状を変化させるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のものでは形状記憶合金の形状変化が湾曲として生じるものであり、出力として伸縮するものを得ることができない。
【０００４】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは伸縮出力を得ることができる上に高出力を得ることができるアクチュエータを提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、形状記憶合金からなるとともに端部が出力部となっているコイルと、該コイルに軸方向のバイアス力を加えるバイアス部材と、コイルに絶縁材を介して接触する熱電素子とからなり、熱電素子によるコイルの加熱・冷却でコイルに伸縮動作を行わせるものであって、絶縁材はその外面または内面の一方の断面形状が多角形、他方の断面形状が円形となっている筒形であり、多角形断面となっている面に上記熱電素子が接しており、円形断面となっている面に上記コイルが接触していることに主たる特徴を有している。形状記憶合金をコイルとすることによって伸縮出力を得られるようにしたものであるとともに高出力を得られるようにしたものである。
【０００６】
この時、絶縁材の円形断面となっている内面の内周もしくは外面の外周に潤滑媒体を介してコイルを配置しているものを好適に用いることができる。
【００１１】
熱電素子及び熱電素子が接合された絶縁材を柔軟材料で形成して伸縮自在としてもよい。
【００１２】
熱電素子のコイルと反対側の熱交換面にヒートパイプを接続することも好ましい。
【００１３】
絶縁材をコイルの周方向に分割してコイルの径方向にバイアス力を作用させるバイアス部材で結合したり、さらに絶縁材をコイルの径方向に伸縮自在な弾性体で形成しておいてもよい。
【００１４】
形状記憶合金からなるコイルを複数並列に配設して各コイルの端部を同一出力部に連結したものであってもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１において、形状記憶合金からなるコイル１の一端には出力軸２が連結されており、コイル１の外周には筒状の絶縁材３を介して熱電素子４が配設されている。ここにおける熱電素子４は、ｐ型素子とｎ型素子とを電極板で順次直列に接続したπ型構造のもので、片側の熱交換面を上記絶縁材３の外面に接触させており、他方の熱交換面にヒートシンク５を接触させている。また、絶縁材３にはコイルばねからなるバイアス部材６の一端を固定して、該バイアス部材６の他端をコイル１における出力軸２側の一端に当接させている。図中７はコイル１と絶縁材３との接触部に配した熱伝導グリスからなる潤滑媒体である。
【００２４】
このアクチュエータにおいては、図２に示すコイル１が収縮している状態において、熱電素子４へ供給している電源の極性切り換えで熱電素子１の絶縁材３側の熱交換面を放熱面、ヒートシンク５側の熱交換面を吸熱面とすれば、形状記憶合金からなるコイル１は形状回復動作によって伸張して、バイアス部材６を圧縮しつつ出力軸２をその軸方向に押す。
【００２５】
逆にコイル１を冷却すれば、コイル１は剛性が低下してバイアス部材３の弾性力によって元の状態に戻される。
【００２６】
コイル１である形状記憶合金としては、ニッケルとチタンの配合比が５０：５０前後であって、高温時にオーステナイト相、低温時にマルテンサイト相を有する合金（ニチノール）を好適に用いることができるが、熱処理によって高温・低温の中間相も備えていたり、銅やアルミニウムが若干配合されていてもよく、上記のものに限定されるものではない。
【００２７】
絶縁材３としては、シリコン、ゴム、ポリイミド等の柔軟な部材や、アルマイト、セラミックのような剛体も用いることができるが、図３に示すように、円筒形であって内周面にコイル１が接するものを好適に用いることができる。なお、絶縁材３に対するコイル１と熱電素子４の位置関係を逆にして、図４に示すように、絶縁材３の外周にコイル１、内周に熱電素子４を配置してもよい。いずれにしても、絶縁材３を円筒形とすることによって、コイル１に添った熱伝導が可能で熱応答の早いものを得ることができる。
【００２８】
絶縁材３は図５または図６に示すように、断面多角形の角筒形のものであってもよい。絶縁材３の内周または外周への熱電素子４の接合が容易となる。
【００２９】
もちろん、図７に示すように、外面または内面の一方の断面形状が多角形、他方の断面形状が円形となっている絶縁材３を用いて、多角形側の面に熱電素子４を接合し、円形の面にコイル１を接触させることにより、絶縁材３とコイル１との間の熱伝導特性を良好に保ちつつ、熱電素子４の接合を容易とすることができる。
【００３０】
熱電素子４は図８に示すように、形状記憶合金からなるコイル１の素線に沿って配設するようにしてもよい。コイル１の形状変化によるところのコイル１と熱電素子４との間の滑り（位置変化）がないために、潤滑媒体７が不要となって熱抵抗を下げることができる。この場合、絶縁材３はコイル１の素線を覆う断面形状として、該絶縁材３の外面に熱電素子４を配設するのが好ましい。熱電素子４の剥離を防ぐことができる。
【００３１】
絶縁材３をコイル１の素線に沿って摺動自在としてもよい。図１０はこの場合の例を示しており、絶縁材３の内周面とコイル１の素線との間に潤滑媒体７を介在させている。形状記憶合金からなるコイル１の収縮時のストレスを緩和することができる。
【００３２】
形状記憶合金からなるコイル１は、その素線表面に図１１に示すように凹凸（荒研磨による凹凸を含む）１１を設けておくと、該凹凸１１は放熱フィンの働きをすることになり、熱伝達効率が向上する。図１２に示すように、コイル１の素線表面に形状記憶合金よりも熱伝導率が高い放熱部材１２を取り付けてもよいのはもちろんである。
【００３３】
図１３に示すように、絶縁材３の内周にコイル１を配したものではコイル１のさらに内周側に断熱材１３を配設すると、熱流出を防ぐことができる。
【００３４】
図１４に示すように、コイル１の軸方向端部にも熱電素子４’を配設すれば、コイル１への熱伝導効果が向上する。
【００３５】
図１５は絶縁材３をコイル１に添った螺旋状に形成したものを示している。コイル１の伸縮に絶縁材３外面の熱電素子４も追随するために、熱電素子４からコイル１に至る熱伝導率を常時高く保つことができる。また、螺旋状絶縁材３をばね部材で形成すれば、絶縁材３をバイアス部材として利用することができるために、別途バイアス部材６を設けなくてもすむために部品数を削減することができる。
【００３６】
図１６は絶縁材３として、コイル１の軸方向に間隔をおいて配設された複数のリング状のものを用いるとともに、隣接する絶縁材３間を弾性材３０で連結したものを示している。この場合もコイル１の伸縮に熱電素子４が追随するものとなり、また弾性材３０がバイアス部材を兼ねるようにすることで部品数を削減することができる。
【００３７】
熱電素子４及び熱電素子４が接合された絶縁材３を柔軟材料で形成することでコイル１の軸方向に伸縮自在としても、図１７に示すように、コイル１の伸張時に熱電素子４が追随するものを得ることができる。
【００３８】
図１８は熱電素子４のコイル１と反対側の熱交換面にヒートパイプ５０を接続したものを示している。熱電素子４の熱伝導効率を促進させることができる。
【００３９】
図１９に絶縁材３のさらに他例を示す。ここでは絶縁材３をコイル１の周方向に分割して複数の絶縁材３でコイル１を取り巻くとともに、コイル１の径方向にバイアス力を作用させるバイアス部材３５で絶縁材３間を結合している。形状記憶合金であるコイル１の伸縮時に伴う径変化に絶縁材３が追随するために、コイル１の径が小さくなっても熱電素子４からコイル１への熱伝導特性を高く保つことができる。
【００４０】
図２０に示すように、絶縁材３をコイル１の径方向に伸縮自在な弾性体で形成してもよい。
【００４１】
図２１は形状記憶合金からなるコイル１と絶縁材３と熱電素子４とからなるブロックを複数並列に配設して各コイル１，１の端部を同一の出力軸２に連結したものを示している。出力としてさらに高いものを得ることができ、また出力が同じでよければ、２つのブロックを用いることで形状記憶合金（コイル１）の表面積を増大させることができるために、伝熱特性が向上する。
【００４２】
内周側が絶縁材３を介してコイル１に接している熱電素子４の外周側に、図２２に示すように、形状記憶合金からなる第２のコイル１２を配設して、この第２のコイル１２をバイアス部材として用いるようにしてもよい。加熱時に伸びるように形状記憶させたコイル１に対して、第２のコイル１２を加熱時に縮むように形状記憶させておくのである。熱電素子４の加熱面と冷却面を同時に有効利用することができる。
【００４３】
図２３に示すように、熱電素子４の他方側の熱交換面に湾曲形状の形状記憶合金板１３を熱的に接続して配設して、熱電素子４への通電極性をコイル１の収縮・伸張時において逆転させても、やはり熱電素子４の加熱面と冷却面を同時に有効利用することができるとともに、伸縮だけでなく湾曲動作も加わるものを得ることができる。
【００４４】
さらには、図２４に示すように、コイル１と絶縁材３と熱電素子５とからなるブロックを径方向において多重で配設するとともに、各コイル１にその特性が加熱時に縮むものと伸びるものとを径方向において交互に用いるならば、熱電素子４の加熱面と冷却面の同時有効利用に加えて、発生力を拡大させることができる。
【００４５】
図２５に他の実施例を示す。これは熱電素子４として、ｐ型素子とｎ型素子とを接続する電極板が形状記憶合金で形成されたものを用いるとともに、コイル１に添う螺旋状としたものとを示している。コイル１の伸縮に伴って、螺旋状の熱電素子４も伸縮するために、高い伝熱効率を得ることができる。なお、図では示していないが、このものにおいても、絶縁材３が熱電素子４とコイル１との間に介在している。
【００４６】
図２６は２つのアクチュエータを直列に接続したものを示している。出力軸２の変位量を大きくとることができる。また、各アクチュエータの熱電素子４への通電を個別に制御することで、多段階的伸縮量変化を得ることができる。
【００４７】
この場合、図２７に示すように、径の異なるコイル１を備えたアクチュエータを直列に接続したり、図２８に示すように、素線の径の異なるコイル１を備えたアクチュエータを直列に接続してもよい。
【００４８】
図２９に示すアクチュエータは、形状記憶合金からなるとともに軸方向と直交する面上で渦巻きを描くスパイラル型コイル１の両端部に熱電素子４を接合したものを示している。形状記憶合金であるコイル１の伸縮率を高くすることができる。
【００４９】
この時の熱電素子４は、図３０に示すように、スパイラル型コイル１の外面の軸方向包絡線に沿って配置しておくと、熱伝導効率を高くすることができる。また、コイル１が軸方向中央で最大径となり、両端で最小径となる場合、熱電素子４もコイル４軸方向において分割されるとともにコイル１中心部から放射状に延びるものとしておくことで、熱電素子４がコイル１の伸縮を阻害することがないものを得ることができる。
【００５０】
形状記憶合金からなるコイル１の加熱・冷却用の熱電素子４の通電量は、図３１に示すように、コイル１の電気抵抗値帰還量ＲRで調整することが好ましい。抵抗値フィードバックを行うことで、温度フィードバックをかける場合よりも時間遅れの少ない制御を行うことができる。なお、図中のＲ0は目標指令値（単位Ω）、ΔＲはＲ0−ＲRの値である。
【００５１】
この時、図３２に示すように、記憶媒体に予め入力済みのコイル伸縮量θとその際の電気抵抗値Ｒとの関係（θｖｓＲはそのデータベース）に基づいて調整したり、図３３に示すように、記憶媒体に予め入力済みのコイル発生力とその際の電気抵抗値との関係（ＦｖｓＲはそのデータベース）に基づいて調整してもよい。θ0は位置指令値（単位ｍｍ）、Ｆ0は発生力指令値（単位Ｎ）である。
【００５２】
熱電素子４への通電量は図３４に示すように、その絶対値を一定電圧のパルス出力で管理するものとし、絶対値の調整はパルス幅またはパルスピッチまたは電圧値の時間的変化で行うと、つまりはＰＷＭ制御で行うのが好ましい。
【００５３】
形状記憶合金からなるコイル１の抵抗値に代えて、コイル１の伸縮に伴うインダクタンスの変化量を帰還させてフィードバック制御してもよい。この場合も時間遅れの少ない制御を行うことができる。
【００５４】
ところで、図２１に示した複数のコイル１，１を並列に設けたものにおいては、図３６にも示すように、各コイル１ごとに熱電素子４用の通電回路を設けて、個別に通電量や極性を制御するとよい。パラレルリンク機構などを構成するのに好都合である。また、図２３に示した形状記憶合金からなる第２のコイル１２を用いているものでは、熱電素子４の加熱面と冷却面の同時有効利用のために、図３７に示すように、熱電素子４への通電極性を出力部の収縮・伸張に際して逆転させるものとする。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、形状記憶合金からなるとともに端部が出力部となっているコイルと、該コイルに軸方向のバイアス力を加えるバイアス部材と、コイルに絶縁材を介して接触する熱電素子とからなり、熱電素子によるコイルの加熱・冷却でコイルに伸縮動作を行わせるために、伸縮出力を得られるとともに高出力を得られるものである。しかも、筒形の絶縁材のコイルが接する面を断面円形とし、熱電素子が接する面を断面多角形としているために、断熱材への熱電素子の接合が容易であると同時に、熱電素子から絶縁材を介したコイルへの熱伝導を良好に行えて、熱応答も良好なものである。
【００５６】
この時、絶縁材の円形断面となっている内面の内周もしくは外面の外周に潤滑媒体を介してコイルを配置すれば、コイルに沿った熱伝導が可能であるために熱応答が更に良好なものとなる。
【００６３】
熱電素子及び熱電素子が接合された絶縁材を柔軟材料で形成して伸縮自在としてもよい。この場合もコイルの伸縮時に熱電素子が追随して伝熱効果を促進する。
【００６４】
熱電素子のコイルと反対側の熱交換面にヒートパイプを接続することも熱伝導効率の促進の点で好ましい。
【００６５】
絶縁材をコイルの周方向に分割してコイルの径方向にバイアス力を作用させるバイアス部材で結合すれば、あるいは絶縁材をコイルの径方向に伸縮自在な弾性体で形成すれば、コイルの伸縮に伴う径変化にも高い伝熱効果を維持することができる。
【００６６】
形状記憶合金からなるコイルを複数並列に配設して各コイルの端部を同一出力部に連結したものであってもよい。高い出力、あるいは形状記憶合金の表面積増大による伝熱特性の向上を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の断面図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上の他例の水平断面図である。
【図４】同上の別の例の水平断面図である。
【図５】同上のさらに他例の水平断面図である。
【図６】同上の別の例の水平断面図である。
【図７】同上の異なる例の水平断面図である。
【図８】他の実施の形態の一例の概略側面図である。
【図９】同上の断面図である。
【図１０】  (a)(b)は同上の他例の断面図と動作説明図である。
【図１１】コイルの素線を示しており、(a)は一例の断面図、(b)は他例の斜視図である。
【図１２】コイルの素線の他例の斜視図である。
【図１３】別の例の断面図である。
【図１４】さらに別の例の断面図である。
【図１５】異なる例の斜視図である。
【図１６】さらに異なる例の斜視図である。
【図１７】  (a)(b)は他例の断面図である。
【図１８】さらに他例の断面図である。
【図１９】別の例を示しており、(a)は斜視図、(b)は断面図である。
【図２０】さらに別の例を示しており、(a)(b)は断面図である。
【図２１】別の実施の形態の一例の断面図である。
【図２２】他例の破断正面図である。
【図２３】さらに他例の断面図である。
【図２４】別の例の断面図である。
【図２５】異なる例の断面図である。
【図２６】さらに異なる例の断面図である。
【図２７】他例の断面図である。
【図２８】さらに他例の断面図である。
【図２９】別の例を示しており、(a)(b)は断面図である。
【図３０】制御方法の一例の説明図である。
【図３１】同上の他例の説明図である。
【図３２】同上の更に他例の説明図である。
【図３３】さらに別の例の説明図である。
【図３４】別の例の説明図である。
【図３５】異なる例の説明図である。
【図３６】さらに異なる例の説明図である。
【図３７】別の例の説明図である。
【符号の説明】
１  コイル
２  出力軸
３  絶縁材
４  熱電素子
【図１】
0003988336.tif 000002
【図２】
0003988336.tif 000003
【図３】
0003988336.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003988336.tif 000008
【図８】
0003988336.tif 000009
【図９】
0003988336.tif 000010
【図１０】
0003988336.tif 000011
【図１１】
0003988336.tif 000012
【図１２】
0003988336.tif 000013
【図１３】
0003988336.tif 000014
【図１４】
0003988336.tif 000015
【図１５】
0003988336.tif 000016
【図１６】
0003988336.tif 000017
【図１７】
0003988336.tif 000018
【図１８】
0003988336.tif 000019
【図１９】
0003988336.tif 000020
【図２０】
0003988336.tif 000021
【図２１】
0003988336.tif 000022
【図２２】
0003988336.tif 000023
【図２３】
0003988336.tif 000024
【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
0003988336.tif 000033
【図３３】
0003988336.tif 000034
【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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