(57)【要約】      （修正有）【課題】鉄道模型用連結器あるいはロボットの表情筋駆動装置などに好適な牽引アクチュエータを提供する。【解決手段】回転軸１０と一体に設けられた腕３２と、一端を外部の支持材に固定され、任意の角度だけ回転軸１０に巻き掛けられた後にもう一端を回転軸１０に固定された形状記憶合金線材２１と、腕３２上の負荷固定部３０と、からなり、形状記憶合金線材２１が収縮変形すると、その収縮力は、外部の線材固定点２２と回転軸１０の円周上を結ぶ接点における、接線方向のベクトルとして回転軸１０に働き、巻き掛けられた形状記憶合金線材２１を引き戻し、従って回転軸１０と腕３２とは回転し、全体は、形状記憶合金線材２１が回転軸１０に接する点を力点、回転軸１０の回転中心を支点、腕３２に設けられた負荷との接続点を作用点とする、てこを形成し、支点／作用点間距離と支点／力点間距離との比に応じて、形状記憶合金線材２１の動きを拡大する。【選択図】図１
2016044672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持材の一端に固定された形状記憶合金線材と、当該支持材の他端に固定された回転軸と、当該回転軸に回転自在に設けられたホルダーと、当該形状記憶合金線材の他端を回転軸に任意角度巻き掛けられた構成からなる事を特徴とする、アクチュエータ機構。
【請求項２】
請求項１において、
ホルダーは軸と一体に取り付けられ、一定以下の回転力に対しては、摩擦により軸に固定され、一定以上の回転力に対しては摺動して空転する、
ことを特徴とする、アクチュエータ機構。
【請求項３】
請求項１または２において、
全体が形成するてこの力点と作用点が支点から見て同一の側にあり、形状記憶合金線材の動作方向と負荷の牽引方向が同一となり、より小さなスペースで牽引アクチュエータが構成できる
ことを特徴とする、アクチュエータ機構。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかが組込まれた事を特徴とする、鉄道模型用連結器。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかが組込まれた事を特徴とする、人型ロボット用表情筋駆動装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかにおいて、
高温で収縮したのち、低温時には元の長さまで伸長する性質を備えた、機能異方性形状記憶合金線材を用いる事、を特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の、アクチュエータ、もしくは鉄道模型用連結器、もしくは人型ロボット用表情筋駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、形状記憶合金線材を用いた小型アクチュエータ機構とその設計製作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  現存する超小型モーターは、直径２ｍｍ、重量０．２ｇ程度であるが、非常に高価である。価格的にこなれたもので直径４ｍｍから６ｍｍ、重量１ｇから２ｇ程度である。他にモーターの回転運動を引っ張り方向に変換するためのウォームギアやラック＆ピニオンなど伝達機構も必要である。固定用ブラケットまで含めると、１つ当りのアクチュエータは、最低でも５ｇ程度の重量と１立方ｃｍ程度の体積となる。また、モーターの特徴は一定の回転を長く続けられる事だが、一方向への牽引と戻り動作を繰り返す動きや、瞬発的な動きや柔らかな動きを表現するには適しているとは言い難い。あるいは、数ｇ程度のわずかな牽引力が必要な場合には、モーターの出力は過大である場合もある。さらには、モーターの作動音が問題となる場合がある。【０００３】  このような、モーターの苦手とする、微小／軽量／静音／必要最小限の出力という特性を備えたアクチュエータが要求されているものがある。【０００４】  それは例えば、鉄道模型である。より詳しくは鉄道模型車両の連結器である。【０００５】  鉄道模型は日本国内だけで年間１５０億円程度の市場規模があり、メインとなる鉄道模型車両は、すでに数百万台が市場に出回っている。【０００６】  これら模型車両の連結器は、手動もしくは線路上に固定された電磁石により、解放レバーを牽引する事で、解放操作を行っている。しかし、手動による解放操作は、縮小情景上にいわゆる「巨人の手」を出現させる事になり、模型趣味の感興を著しく削ぐものである。また、電磁石による解放操作も存在するが、これは線路上にあらかじめ設置する必要があり操作可能な位置が限られるため、実際の鉄道車両の運行を十分に再現しているとは言い難い。【０００７】  このため、鉄道模型車両の再現性を高めるためには、連結器が、遠隔操作可能な解放機構を備える必要がある。既に市場に出回っている鉄道模型車両の連結器は、多くが共通化されそのサイズが決まっている。例えば実車の１／８７程度の縮尺であるＨＯゲージと呼ばれる規格が世界的には主流を占めているが、この場合、連結器の大きさは、縦横６ｍｍ、高さ４ｍｍ程度である。この中に解放レバー牽引のためのアクチュエータを挿入、追加するという大きな課題がある。【０００８】  鉄道模型用連結器における課題について、以下に詳述する。【０００９】  このような鉄道模型車両の連結器にモーターを使用する場合、連結器本体もしくは連結器箱に組込む事が考えられる。実車の１／８７程度の縮尺であるＨＯゲージと呼ばれる規格が世界的には主流を占めているが、この場合、連結器の大きさは、縦横６ｍｍ、高さ４ｍｍ程度であり、モーターを組込む余地がない。連結器を収める連結器箱の大きさは縦１２ｍｍ、幅７ｍｍ、厚さ４ｍｍ程度だが、車両本体への取付け用ねじ穴や連結器の首振りのための回転軸も備えるため、やはり既存のモーターを内蔵するスペースはない。【００１０】  また、車両内部にアクチュエータを搭載する方法も考えられる。しかし、専用に設計された車両や大掛かりな改造が必要となり、すでに市場に出回っている車両に、遠隔操作可能な連結器を追加することは困難になる。車両内部にアクチュエータを搭載する場合、アクチュエータと連結器の操作レバーの間にリンク構造が必要となる。しかし、カーブ走行時には連結器が首振り動作をするので、アクチュエータと操作レバーの距離に変動を生じる。この変動を吸収できないと、意図しない解放動作や、連結器の故障、さらには車両の脱線を引き起こす。アクチュエータと操作レバーの距離の変動を吸収するためには、リンク機構に十分な遊びが必要であり、これはアクチュエータに余計な動作量を要求し、さらなるアクチュエータの大型化につながる。さらに、前述のリンク機構は、本来の鉄道車両には存在しないものであり、模型としての再現度を下げてしまう。【００１１】  図１４にて、現在主流となっている模型用連結器の構成について、米国  ＫＡＤＥＥ  ＱＵＡＬＩＴＹ  ＰＲＯＤＵＣＴＳ  社の  ＭＡＧＮＥ−ＭＡＴＩＣ（Ｒ）  ＷＨＩＳＫＥＲ（Ｒ）  Ｃｏｕｐｌｅｒ  を例に解説する。全体は、相手側の連結器と組合わさるための連結器であるカプラー１１４と、連結器に首振り動作を与え車台に取付けるための連結器箱であるカプラーボックス１１５とからなり、ナック、ナックルピン１０２、ナックルヘッド１０３、カプラーアーム１０４、ナックルスプリング１０５、カプラーポケット１０６、カプラーポケットふた１０７とからなる。ナックルピン１０２はナックル１０１に固定されている。ナックル１０１はナックルヘッド１０３に対してナックルピン１０２とナックルピン受け１１２を介して回転自在に取付けられている。ナックルヘッド１０３はカプラーポケット１０６に設けられた回転軸１１０に対して回転軸受け１１３を介して回転自在に取付けられている。ナックルピン１０２はナックルヘッド１０３を挟んでナックル１０１と反対側で湾曲し、ナックル１０１を回転させるための解放レバー１０８となる。ナックル１０１およびナックルヘッド１０３にはナックルスプリング１０５固定用のばねポスト１０９ａおよび１０９ｂが設けられている。【００１２】  図１５は、既存の模型用連結器の連結状態を表したものである。連結位置と解放位置の間で回転自由なナックル１０１は、ナックルスプリング１０５によって連結位置に維持されている。手動あるいは車両の走行によって連結器同士が押し当てられると、相互のナックル１０１は相手側のナックルヘッド１０３内側に導入されて互いに噛み合い、連結が完了する。なお、実際の自動連結器では、連結状態を維持するために、連結後にナックル１０１の自由な回転を妨げて固定するための錠が設けられている。しかし、この錠はナックル全体に比べるとさらに小さな部品であり、縮小模型上で再現するためには、非常に小さな部品を精度良く作成し組み立てる事が必要であり、相当な困難が伴う。さらに摩擦力や部品相互のはめあい寸法までは実物同様に縮小する事はできないので、実物同様の機構を単純に縮小しただけでは、機能まで完全に再現する事は困難である。このため、引例の模型用連結器においては錠の機構は省略されている。錠に代えて連結を維持する機構として、連結完了後にナックル１０１先端に設けられた爪１１１が相手側の爪と噛み合い、牽引あるいは押し当て時に連結が外れる事がないように構成されている。この模型用の連結器の取付け方法は、カプラーボックス１１５に設けられた取付穴１１���を使用して、車体底面から車台に、ねじ（図示せず）で固定する。また、車両に排障器がある場合にはこれに貫通穴を設け、排障器前方から差し込んだ後に、底面からねじで固定する。この時、可能な限り実車の意匠を損なわないために、必要最小限度の貫通穴サイズとなるように設計されている。【００１３】  鉄道模型用自動連結器においては、外観をできる限り忠実に縮小して再現し、さらに模型特有の操作に対しても十分な機能を果たす事が市場から求められている。これらの要求に対して、現在主流となっているＫＡＤＥＥ社の模型用連結器は、ここまで見てきたように、その外観において実際の自動連結器を極めて巧みかつ忠実に再現している。また、機能面では、車両同士の連結については、連結器同士を押し当てるだけで連結が完了し牽引時には容易に分離しないといった点において、これも実車の機能を良く再現している。さらに車両全体の外観を損なわないようにするために、取付け方法や取付けに必要な各部位の寸法に対する厳しい制約にも対応している。これらの特徴によって、広く市場に受入れられており、さらには他のメーカーも同様の方式に追随し、互換製品が多数発売されている。【００１４】  しかしながら、外観および連結作業の再現性においては市場の要求に十分に応えている模型用連結器ではあるが、車両を切り離す連結解放作業を遠隔操作によって行う事はできない。この点において、市場の要求を満たすことができていない。【００１５】  これまで例として挙げてきた、米国  ＫＡＤＥＥ  ＱＵＡＬＩＴＹ  ＰＲＯＤＵＣＴＳ社の  ＭＡＧＮＥ−ＭＡＴＩＣ（Ｒ）  ＷＨＩＳＫＥＲ（Ｒ）  Ｃｏｕｐｌｅｒ  では、連結された車両同士を切り離して連結解放するためには、車両同士を押し当てた状態でナックル解放レバーを牽引し、ナックルを解放位置に維持しながら車両同士を引き離すことが必要となる。この時ナックル解放レバーを操作するためには、人がレイアウト上に手を入れる事が必要となる。実際の鉄道車両においても、連結解放時には作業員による解放レバーの操作が必要になる。しかし、鉄道模型においては、人の手が車両に直接触れて操作する事は、縮小模型あるいは情景レイアウトにそぐわない、いわゆる「巨人の手」が出現する事態を招く。これは情景の再現性を損ね、模型趣味の興感を著しく削ぐものとなるため、好ましくない。また、車両が配置された情景レイアウトの構成によっては人が手を入れて操作する事自体が難しい場合もあり得る。図１６は手動での解放操作を表す。【００１６】  このため、模型としての再現性を損ねる事無く、レイアウト上の連結解放作業を、人の手によらずに、遠隔操作する事が可能な模型用連結器の登場が、市場から切望されてきた。【００１７】  このような背景により、上記解放レバーを遠隔操作する方法が、すでに複数提案されている。【００１８】  遠隔操作による連結解放のための１つの方法は、磁石装置によるものである。この方法では、模型線路上のレールとレールの間に、あらかじめ磁石の一方の極だけが上を向くように設置しておく。次にこの磁石の上に解放しようとする車両の連結部を停止させる。連結器の解放レバーは鉄製で、線路上の磁石の磁力を受けた場合には、連結状態にある２つの連結器の��互いに接近している解放レバー相互が同極に帯磁するように作られている。同極に帯磁した解放レバー同士は互いに反発し合い、その結果ナックル解放方向に解放レバーが回転駆動される。このようにしてナックルを解放位置に維持した状態で機関車を後退、あるいは前進させて相手車両を突き放す事で、連結解放が行われる。【００１９】  遠隔操作による連結解放のための別の方法では、車両内部に搭載されたモーター、電磁石あるいは形状記憶合金などのアクチュエータを、リンク機構やワイヤーによって操作レバーもしくはナックルと連結し、アクチュエータの動作に応じてナックルを解放位置に牽引するものである。【００２０】  他には、近年登場しつつある人型ロボットおいても、眉、まぶた、目尻、口角などを引っ張る、表情筋駆動装置に用いるアクチュエータが求められている。この場合にも、顔面の限られたスペース内で、静音かつ牽引動作の繰返しに好適なアクチュエータが求められている。【００２１】これらの、鉄道模型車両に遠隔操作可能な連結器を追加する、あるいは人型ロボットの表情筋駆動装置、という課題に好適なアクチュエータは、限られたスペースに収まり、解放レバーあるいは表情部品を牽引するために、負荷の片側のみにアクチュエータが位置して、牽引動作を取り出しやすく、小型であるために必要最小限の出力を備えたものである必要がある。【００２２】これらの問題を解決し得るアクチュエータとして、形状記憶合金線材が期待される。【００２３】  直線形状を記憶させた形状記憶合金線材は、
・通電によって容易に加熱収縮し、牽引動作を取り出すことができる。
・動作時に音が発生しない。
・軽量で、直径０．１ｍｍの形状記憶合金線材の場合、１ｍ当たりの重量はわずか０．０５ｇである。
という特徴を備える。【００２４】  また、形状記憶合金線材が、低温伸長状態から加熱されて収縮する時の形状回復力（収縮力）は、線材の断面積に対しておよそ数１０ＭＰａから数１００ＭＰａであり、実用的には、直径０．１ｍｍの形状記憶合金線材の場合、収縮時には８０ＭＰａ、６４ｇ程度の収縮力を発生し、線材自体の重量に比較して大きな力で対象を駆動することができ、出力／重量比が大きい事も特徴である。【００２５】  このように、微小／軽量／必要最小限の出力を備えた牽引アクチュエータとして、形状記憶合金線材が非常に有望である。
【先行技術文献】
【００２６】
【特許文献１】  特開２００３−３９４８公報
【特許文献２】  特公昭６３−０２６２７９公報
【特許文献３】  ＵＳ３１１１２２９  （Ａ）
【特許文献４】  ＵＳ２８６８３９３  （Ａ）
【特許文献５】  ＵＳ５７７５５２４  （Ａ）
【特許文献６】  特開２００１−３８５０公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】  しかしながら、形状記憶合金線材にも、なお幾つかの問題がある。【００２８】  一番目の問題点は、形状記憶合金線材から取り出せる変形量が、線材の長さの割に少ない、という事である。一般的に、形状記憶合金線材の長さ方向の実用的な変形量は、線材全体の長さに対して５％程度である。形状記憶合金線材の、低温伸長時の全長をＬ、加熱収縮時の全長をＷ、収縮率をＳ％とする時、ＬとＷの差である変形量Ｄは次のように表される。
Ｄ＝Ｌ＊Ｓ（式１）
また、変形量Ｄを得るために必要な形状記憶合金線材の全長Ｌは、次のように求められる
Ｌ＝Ｄ／Ｓ（式２）
具体的には、３ｍｍの変形量Ｄを得ようとする時、低温伸長時に必要な線材長Ｌは、式２より、３／５％＝６０であり、Ｌ＝６０ｍｍとなる。【００２９】  このように、形状記憶合金線材を用いる場合、収縮率が５％に限られるので、求める変形量の２０倍の線材長が必要となる。これは、必要な変形量に比べて非常に長い形状記憶合金線材を、遮る物なく直線状に張り渡さなければならないということであり、材料費が高くなるとともに小型化が難しくなる原因でもあった。また、形状記憶合金線材が長いほど加熱収縮させるのに必要な消費電力が大きくなるという問題もある。図８は形状記憶合金線材の全長と変形量の例である。【００３０】  二番目の問題点は、動作の拡大についてである。
先に述べたように、形状記憶合金の変形量はその全長に比べて５％程度と小さいので、多くの場合、動きを拡大する必要がある。このためには、てこやプーリーを用いて、動きを拡大する方法があった。【００３１】しかし、てこの原理を用いて動きを拡大する場合には、
１）トルク変動
２）動作角度の限界
３）拡大率の制限
という問題がある。これらの問題について以下に詳述する。【００３２】  １）トルク変動について、
形状記憶合金線材の収縮に伴い、力点に対する収縮力のベクトルが変化するため、支点に対する回転トルクに変動が生じてしまう。図９はてこのトルク変動の模式図である。【００３３】  ２）動作角度の限界について、
支点／力点／形状記憶合金線材の固定部が一直線状に並ぶ死点を超えては動作できないので、動作角度に限界がある。図１０はてこの死点の模式図である。【００３４】  ３）拡大率の制限について、
・支点／力点距離と支点／作用点距離の比が大きいほど、動きの拡大率は大きくなる。しかし、
・形状記憶合金線材の固定部と回転軸とが干渉するため、支点と力点の距離を十分に近づける事ができない。このため、動きの拡大に制限があった。
・動きの拡大率を大きくすると、わずかな取り付け誤差であっても拡大され、設計値通りの動きを得る事が難しくなる。
・出力／重量比が高いという形状記憶合金線材の特性を発揮するには、機構が小さい場合ほど有利になるが、そのような小型の機構では、必要充分な精度を持って線材を固定することが難しい。
という問題がある。【００３５】  ここで、形状記憶合金線材の固定に伴う問題について、以下に詳述する。形状記憶合金には、
・硬く、脆いので、結ぶことができない。
・はんだぬれ性が悪く、はんだ付けができない。
という特性があるので、固定方法が限られる。
このため、形状記憶合金線材を対象物に固定するための方法として、
・電極を兼ねた端子に線材を圧着固定し、端子をネジ等で対象物に固定する。（図１１）
・前記の端子を、対象物にはんだ付けする。
・前記の端子を、対象物に設けたピンやフックに引っ掛ける。
・線材を折り返して使用し、中間部を、対象物に設けたピンやフックに引っ掛ける。（図１２）
・線材を折り返して使用し、中間部を、対象物に設けた穴に通す。（図１３）
などが用いられている。【００３６】  しかし、いずれの方法でも、取り付けに必要な構造と強度を保つ必要から、一定の大きさとスペースが必要である。【００３７】  例えば、一般的に繰り返し動作に適した形状記憶合金線材は直径０．１ｍｍ程度であり、断面積当たりの８０ＭＰａの最大負荷で設計する場合、１本当り約６４ｇの負荷、折り返して使用した場合は２倍の１２８ｇの負荷が、固定部への繰り返し荷重となる。これに対して通常用いられるねじやピンのサイズは、小さくても１ｍｍから２ｍｍ程度が一般的であり、これを支えるためには、一般的には、ねじ穴や取り付け穴周囲に、穴径と同程度の肉厚が必要になる。このため回転軸に十分近づけることができない。【００３８】  また、形状記憶合金線材の取り付け時には、線材の最小曲げ半径も考慮する必要がある。発明者の実験では、形状記憶合金線材をピン等の固定部に引掛ける場合の最小曲げ半径は、線材半径の２０〜４０倍が必要となる。これ以下では屈曲となり、繰り返し動作に伴い、短期間に線材の破断を引き起こしてしまう。つまり、直径０．１ｍｍの形状記憶合金線材をピン等に引掛けて使用する場合、引っかけ部の直径は２ｍｍ以上が必要になる。【００３９】  さらに、線材の端部を可動部に直接固定した場合は、動作に伴い、線材の固定部付近に繰返しの曲げ変形が加わる。こうした曲げ変形は線材の寿命を著しく短くするので、可動部側の形状記憶合金線材の固定部には、ある程度の自由度が必要となる。これも固定部の小型化を妨げるので、動きの拡大率を制限する原因となる。【００４０】  ここまでに述べてきたように、鉄道模型用連結器あるいはロボットの表情筋用のアクチュエータとして、形状記憶合金線材が好適と期待されるが、形状記憶合金線材にも、なお課題がある。【００４１】  このように、微小／軽量／静音／必要最小限の出力という特性を備えた、簡易かつ安価な牽引アクチュエータが存在しない。特に、鉄道模型においては、
・既存の車両に設けられた連結器用のスペースに収まる
・既存の取付方法によって連結器が取付け可能である
・既存の模型用連結器と各部寸法が同じになるように配置可能である
・既存の手動もしくは磁石による解放動作と併用可能である
・既存の連結器と同様の操作感を維持できる
という条件を満たす、遠隔操作可能な連結器を実現するために、このようなアクチュエータが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００４２】  本発明はこのような従来の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、形状記憶合金を用いた狭小な牽引アクチュエータ機構を提供する事である。本発明のもう一つの目的は、形状記憶合金の動作に伴うトルク変動や死点が発生しないアクチュエータ機構を提供する事である。本発明の別の目的は、短い形状記憶合金線材のわずかな変形量を有効に使用するために、最大限かつ精度良く変形量を拡大する簡便な方法を提供する事にある。
本発明の更に別の目的は、形状記憶合金線材の取り付け時の長さ調整を簡便に行う機構を提供する事にある。本発明の更に別の目的は、形状記憶合金線材の過負荷回避機構を簡便な機構で実現する事にある。【００４３】  図１は本発明の基本となる形態であり、直線運動を回転運動に変換するとともに動きを拡大する機構であり、回転軸と一体に設けられた腕と、軸と一体に取り付けられ、一定以下の回転力に対しては摩擦により軸に固定され一定以上の回転力に対しては摺動して空転する、形状記憶合金線材を固定するための線材固定穴を備えたホルダーと、両端を外部の支持材に固定され、任意の角度だけ回転軸に巻き掛けられた後に中間部をホルダーの線材固定穴に引っ掛けられた形状記憶合金線材と、腕上の負荷固定部と、からなる。【００４４】  形状記憶合金線材が収縮変形すると、その収縮力は、外部の線材固定点と軸の円周上を結ぶ接点における、接線方向のベクトルとして回転軸に働き、巻き掛けられた線材を引き戻し、従って軸と腕とは回転する。【００４５】  通常、てこの力点や作用点は、支点となる回転軸の外側に設けられるものである。このため、外部の固定された１点から力を加えた場合、軸の回転に伴ってベクトルが変化し、トルク変動を生じる。一方、本発明では形状記憶合金線材が回転軸表面に巻き掛けてあり、線材が収縮変形すると、巻き掛けられた線材は一点から繰り出される形となるので、線材の収縮力は、常に外部の線材固定点と軸表面を結ぶ接点上に働き、トルクの変化を生じない。また、あらかじめ形状記憶合金線材の変形量以上に軸に線材を巻き掛けておく事で、死点を発生させずに必要な回転角を得ることができる。【００４６】  軸の回転数は、形状記憶合金線材の変形量と軸断面の周長との比として得られる。例えば、形状記憶合金線材の変形量が軸断面の周長と同じになるように線材の全長をとり、これを軸に１回転以上巻き掛けておく事で、軸を１回転させる事ができる。さらに線材の長さを大きく取ることができれば、より多く軸を回転させることができる。【００４７】  このように構成された時、全体は、形状記憶合金線材が回転軸に接する点を力点、回転軸の回転中心を支点、腕に設けられた負荷との接続点を作用点とする、てこを形成し、支点／作用点間距離と支点／力点間距離との比に応じて、形状記憶合金線材の動きを拡大することができる。図２において、回転軸の半径は１ｍｍ、腕上の負荷固定部の可動範囲は半径１０ｍｍの円周上にあり、形状記憶合金線材の固定部から回転軸表面の接点までの距離は１０ｍｍである。形状記憶合金線材の収縮率が５％であるとき、形状記憶合金線材の変形量ｄは０．５ｍｍである。形状記憶合金線が収縮すると、回転軸はその表面円周上の円弧長にして０．５ｍｍ分回転する。この時、腕上の負荷固定部は円弧長にして５ｍｍ分の移動量を得るので、１０倍の拡大率が得られる事になる。【００４８】  形状記憶合金線材を回転軸に直接固定するためには、何らかの固定部を設ける必要があるが、これは回転軸に穴を開けたりピンを立てるなどの加工が必要となり、簡単ではない。このため、軸と一体に取り付けられ、一定以下の回転力に対しては、摩擦により軸に固定され、一定以上の回転力に対しては摺動して空転する、形状記憶合金線材を固定するための線材固定穴を備えた、ホルダーを使用することもできる。このようなホルダーを用いる事により、回転軸に加工を施す必要がなくなる。【００４９】本発明の利点は以下の通りである。
・形状記憶合金線材は回転軸を境として片側のみに位置し、外側への突出部が少ない牽引アクチュエータが構成される。
・てこの力点と作用点が支点から見て同一の側にあり、形状記憶合金線材の動作方向と負荷の牽引方向が同一となり、より小さなスペースで牽引アクチュエータが構成できる。
・軸の表面に線材を巻き掛ける事で、力点は回転軸表面に位置し、構造的に最短の支点／力点間距離となり、理論上最大の拡大率を取る事が可能となるので、小さなスペースに配置した短い形状記憶合金線材の変形量を有効に拡大し、負荷を牽引することができる。
・軸の表面に線材を巻き掛ける事で、トルクの腕の長さは回転軸の直径のみを変数として、簡単、任意、かつ精密に決定される。このため、設計値通りの動作の拡大率と負荷となるよう精密に組み立てることができ、製品動作の安定性と長寿命につながる。
・回転軸そのものが、てこの支点と力点を構成するので、別にプーリ等を設ける必要がなく、部品点数の削減と構造の簡素化が可能となる。【００５０】なお、過去において「特許文献６」の第３実施例（図１７）に示すように「プーリー部６ａと、このプーリー部６ａに対してそれぞれ固定されたアーム部６ｂおよび回転軸２２とを有してなる」操作端部材６を用いて、形状記憶合金を前記プーリー部６ａに巻き掛けており、「回転軸」「アーム部」「巻き掛けて用いる」点においては本願発明といかにも類似するが、本願発明は、「プーリー」や「プーリー部」を用いずに、「回転軸」に直接「形状記憶合金線材」を巻き掛ける事と「手前に牽引するためのホルダー」を特徴としており、この点において大きく相違する物である。【００５１】設計における計算方法：
形状記憶合金線材の、低温伸長時の全長をＬ、加熱収縮時の全長をＷ、収縮率をＳ％とする時、ＬとＷの差である変形量Ｄは次のように表される。
Ｄ＝Ｌ＊Ｓ（式１）
また、変形量Ｄを得るために必要な形状記憶合金線材の全長Ｌは、次のように求められる
Ｌ＝Ｄ／Ｓ（式２）
形状記憶合金線材の変形量（Ｄ）、回転軸の周長（Ｃ）であるとき、回転軸の回転角度（Ａ）は、以下の式で求められる。
Ａ＝３６０（Ｄ／Ｃ）（式３）
この式を変形して用いる事で、所定の回転角度（Ａ）を得るために必要な形状記憶合金線材の全長（Ｌ）あるいは回転軸の直径（ｄ）を定めることができる。【００５２】  （例）形状記憶合金線材の収縮率（Ｓ）＝５％、軸径（ｄ）＝３（ｍｍ）の時に、Ａ＝６０度の回転角度を得るために必要な形状記憶合金線材の全長（Ｌ）を求める：
式３より、６０＝３６０（Ｄ／Ｃ）、
両辺に３６０を掛け、６０／３６０＝Ｄ／Ｃ、
両辺にＣを掛け、Ｃ／６＝Ｄ
式１より、Ｃ／６＝Ｌ＊Ｓ、
変形して、Ｌ＝（Ｃ／６）／Ｓ
周長Ｃ＝直径＊π＝ｄπ。さらにｄ＝３、Ｓ＝５％を代入すると
Ｌ＝（３π／６）／０．０５＝１０π＝約３１．４ｍｍ
このように、必要な形状記憶合金線材の長さが求められる。【００５３】  また、動きを拡大する場合の拡大率は、回転軸の半径（ｒ）と、腕上の負荷固定部とその回転中心までの距離（Ｒ）との比によって表される。【００５４】  線材径と軸径の制限について、一般的に、低温時の形状記憶合金線材は柔らかく外力によって容易に曲げる事が可能だが、ある程度以上に大きな曲率では屈曲し永久曲げ変形を起こしてしまう。また、高温動作時には硬くなり伸直形状に戻ろうとする力も働く。このため、形状記憶合金線材を曲げて使う場合には、曲率半径の大きさに制限がある。
発明者の実験によれば、回転軸に巻き掛ける場合や、ピンなどに引っ掛ける場合には、線材直径の１０倍ないし２０倍の軸径がある事が望ましい。【００５５】  このようにして、形状記憶合金線材の収縮による直線運動が軸の回転運動に変換されるとともに、動きの拡大が行われる。【００５６】なお、過去において「特許文献２」の実施例（第１図）に示すように「プーリー状の形状記憶合金巻掛材４」を用いて、「線状のＴｉ−Ｎｉ合金等の形状記憶合金」の中間部を前記形状記憶合金巻掛材４に巻き掛けており、「線状の形状記憶合金」が「巻き掛けられた」点においては本願発明といかにも類似するが、この方式では、「形状記憶合金５は、その一端部を、構造部材１の軸３と反対側の端部付近に取り付られるとともに、他端部を、構造部材２の軸３と反対側の端部付近に取り付け」られており、これに対して本願発明では、「形状記憶合金線材は回転軸を境として片側のみに位置し、外側への突出部が少ない」事を特徴としており、この点において大きく相違する物である。
【発明の効果】
【００５７】  本発明によれば、
・形状記憶合金線材を用いて、負荷の片側のみに部品を配置した、狭小な牽引アクチュエータ機構を、簡便かつ安価に構成することができ、また、このアクチュエータは、形状記憶合金線材の動作に伴うトルク変動や死点が発生せず、さらにまた、小さなスペースに配置した短い形状記憶合金線材のわずかな変形量を、最大限かつ精度良く拡大し、有効に活用する事ができ、さらにまた、形状記憶合金線材の取り付け時の長さ調整を簡便に行うことができ、さらにまた、形状記憶合金線材の過負荷回避機構を簡便な機構で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】  実施例１の説明図である。
【図２】  実施例１における動きの拡大率についての説明図である。
【図３】  連結器用アクチュエータの概観図である。
【図４】  連結器用アクチュエータの、車両への取付け位置を表す。
【図５】  連結器用アクチュエータにおける、アクチュエータ非動作時の状態を表す。
【図６】  連結器用アクチュエータにおける、アクチュエータ動作時の状態を表す。
【図７】  表情筋駆動装置の構成例である。
【図８】  形状記憶合金線材の全長と変形量の例である。
【図９】  てこのトルク変動の模式図である。
【図１０】  てこの死点の模式図である。
【図１１】  形状記憶合金線材の固定方法のうち、圧着端子とねじを用いた例である。
【図１２】  形状記憶合金線材の固定方法のうち、中間部をピンに引っ掛けた例である。
【図１３】  形状記憶合金線材の固定方法のうち、中間部を、対象物に設けた穴に通した例である。
【図１４】  既存の鉄道模型用連結器の構造を表す分解図である。
【図１５】  既存の模型用連結器の連結状態を表したものである。
【図１６】  既存の鉄道模型用連結器の、手動での開放操作の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】  図１にて本発明の第１の実施例を表す。実施例１は、形状記憶合金線材の直線運動を、回転運動に変換するとともに動きを拡大する物であり、支持材の一端に固定された形状記憶合金線材と、当該支持材の他端に固定された回転軸と、当該回転軸に回転自在に設けられた牽引ホルダーと、当該形状記憶合金線材の他端を回転軸に任意角度巻き掛けられた構成からなる事を特徴とする形状記憶合金を用いた狭小な牽引アクチュエータ機構、であり、回転軸１０と一体に設けられた腕３２と、回転軸１０と一体に取り付けられ、形状記憶合金線材２１を固定するための線材固定穴２８を備えたホルダー２６と、アクチュエータ用電子基板２４上に設けられた線材固定部２２ａおよび２２ｂに両端を固定され、任意の角度だけ回転軸１０に巻き掛けられた後に中間部をホルダー２６の線材固定穴２８に引っ掛けられた形状記憶合金線材２１と、腕３２上の負荷固定部３０と、からなる。
【００６０】  形状記憶合金線材が収縮変形すると、その収縮力は、外部の線材固定点と軸の円周上を結ぶ接点における、接線方向のベクトルとして回転軸１０に働き、巻き掛けられた形状記憶合金線材２１を引き戻し、従って回転軸１０と腕３２とは回転する。
【００６１】  この時、形状記憶合金線材２１が回転軸１０に接する点を力点、回転軸１０の回転中心を支点、腕３２に設けられた負荷固定部３０を作用点とする、てこを形成し、支点／作用点間距離と支点／力点間距離との比に応じて、形状記憶合金線材２１の動きを拡大し、負荷を牽引することができる。
【００６２】  さらにこの時、牽引ホルダーは軸と一体に取り付けられ、一定以下の回転力に対しては、摩擦により軸に固定され、一定以上の回転力に対しては摺動して空転するようにする、すなわち、回転軸固定穴２９の摩擦力を、一定以下の力に対しては回転軸１０に対して固定され、一定以上の力に対しては摺動し空転するように設定する事で、形状記憶合金線材２１の過負荷回避機構となる。さらに、ホルダー２６を形状記憶合金線材２１の伸長方向に回転させる事で、形状記憶合金線材２１の長さ調節器としての機能が得られる。
【００６３】  本発明の第２の実施の形態は、鉄道模型車両の連結器を遠隔操作するためのアクチュエータである。図３は概観図である。図４は車両への取付け位置を示す。図５はアクチュエータ非動作時の状態を表す。
【００６４】  全体は、既存の自動連結器と共通する基本部分と、これに遠隔操作による連結解放機能を与える、追加部分とからなる。
【００６５】  基本部分は、ナックル２０１、ナックルピン２０２、ナックルヘッド２０３、カプラーアーム２０４、ナックルスプリング２０５、カプラーポケット２０６、カプラーポケットふた２０７とからなる。ナックルピン２０２はナックル２０１に固定されている。ナックル２０１はナックルヘッド２０３に対してナックルピン２０２とナックルピン受け２１２を介して回転自在に取付けられている。ナックルヘッド２０３はカプラーポケット２０６に設けられた回転軸２１０に対して回転軸受け２１３を介して回転自在に取付けられている。ナックルピン２０２はナックルヘッド２０３を挟んでナックル２０１と反対側で湾曲し、ナックル２０１を回転させるための解放レバー２０８となる。ナックル２０１およびナックルヘッド２０３にはナックルスプリング２０５固定用のばねポスト２０９ａおよび２０９ｂが設けられている。
【００６６】  追加部分は、線材２２１、アクチュエータ用電子基板２２４、基板サポート部材２２５、ホルダー２２６、電線２３１ａおよび２３１ｂとからなる。電子基板２２４は、アクチュエータである線材２２１を固定するための２カ所の線材固定部２２２ａおよび２２２ｂと、線材に通電するための電線２３１ａおよび２３１ｂを取り付けるための２カ所の電線固定部２２３ａおよび２２４ｂとを備える。ホルダー２２６は２つの穴を備えており、その一方はナックルピン２０２が貫通固定されるレバー固定穴２２７で、他方は線材２２１の中間部を保持するための線材固定穴２２８である。形状記憶合金線材２２１は、ナックルピン２０２に任意の角度だけ巻き掛けられ、その中間部はホルダー２２６の線材固定穴２２８を通り、両端はアクチュエータ用電子基板２２４上の線材固定部２２２ａおよび２２２ｂに固定されている。ナックルピン２０２は、ホルダー２２６のレバー固定穴２２７を貫通し、ナックルピン２０２とホルダー２２６とはレバー固定穴２２７の摩擦力によって軸方向および回転方向に固定される。この摩擦力は、線材２２１の耐久力以上の負荷がかかった際には回転可能になるように調整されている。アクチュエータ用電子基板２２４はカプラーアーム２０４上に固定されている。固定には、専用の基板サポート部材２２５もしくは両面テープなどを用いる。電子基板２２４およびサポート部材２２５の外形は、カプラーアームが通常の可動範囲内で首振り動作をした場合にカプラーポケット２０６に接触せず、カプラーアーム２０４の動作を妨げないものとする。
【００６７】  ホルダー２２６を、任意の角度だけ回転させる事で、線材２２１の張力を調節し、形状記憶合金の形状回復動作に必要な適正な予歪みを与えることができる。また、ホルダー２２６を回転させることによって、線材２２１の取り付け長さの誤差を調節する事が可能である。
【００６８】  電子基板２２４はカプラーアーム２０４上に固定されており、カプラーアームの首振り時にも線材２２１の固定端とナックル２０１との距離に変動が生じないので、カーブなど連結器の首振り時にも意図しない動作が発生しない。
【００６９】  ナックル上の任意の点に、直接、形状記憶合金線材の作用点を設けた場合には、形状記憶合金線材の収縮とナックルの回転に伴って、回転軸に対する収縮力の働く向きに変化を生じ、動作中にトルクの変動を生じてしまう。
【００７０】  これに対して、本発明の実施例１のように形状記憶合金線材を配置した場合、形状記憶合金線材は回転軸であるナックルピン２０２の表面に巻き掛けてあり、線材が収縮変形すると、線材は巻き掛けられた接点から繰り出される形となり、線材の固定点と回転軸表面の接触位置とは、軸が回転しても相対的に同位置に保持される。このため、線材の収縮力は、常に外部の線材固定点と軸表面を結ぶ接点上に働き、トルクの変化を生じない。このようにして、アクチュエータの動作中に一定のトルクを伝達する事が可能となる。
【００７１】  図６はアクチュエータ動作時の状態を表す。電線２３１ａおよび２３１ｂを通じて線材２２１に通電することにより、線材２２１は加熱収縮する。この時の収縮力はナックルピン２０２およびこれと回転一体に取り付けられたナックル２０１を連結解放方向に回転させ、これによってカプラーは連結解放状態となる。通電を維持する事で、この連結解放状態は任意の時間維持される。
【００７２】  解放動作を行ったのちに再び連結位置にナックルを戻す必要があるが、これには、形状記憶合金線材が低温時には高温で収縮した状態に比べて柔らかいことを利用し、前記ナックルスプリング２０５のばね力を用いてナックル２０１とともに線材を初期位置まで伸長させることができる。すなわち、通電を停止して線材２２１が冷却弛緩すると、ナックルスプリング２０５の復元力によってナックル２０１は連結状態に戻る。
【００７３】  なお、より効果的には、その発生力に比してより少ない復元力で初期位置まで伸長させられる特性を備えた形状記憶合金線材を用いる事が望ましい。また更に効果的には、高温で収縮したのち、低温時には元の長さまで伸長する性質を備えた、機能異方性形状記憶合金線材を用いる事が望ましい。
【００７４】  なお、アクチュエータに求められる発生力は、ナックルスプリング２０５がナックル２０１を連結位置に戻そうとする力を上回るだけあれば良い。
【００７５】  ナックルスプリング２０５が、線径０．１ｍｍ、外径１．３ｍｍ、自由長さ３．８ｍｍ、ばね定数３．２ｇ／ｍｍであるとき、連結位置でのばね長さは３．５ｍｍで、約１ｇのばね反力となる。また、解放位置でのばね長さは２．８ｍｍで、３．２ｇのばね反力となる。これが腕の長さ４．４ｍｍの回転トルクとしてナックル２０１に作用すると、およそ１．４ｇ／ｃｍのトルクとなる。
【００７６】  形状記憶合金線材の収縮時の発生力はその断面積に比例し、断面積に対する圧力としておよそ８０Ｍｐａが安定的に繰返して使用できる上限である。具体的には、直径０．１ｍｍの線材を使用した場合、およそ６４ｇｆの発生力となる。これが腕の長さ０．５ｍｍの回転トルクとして働いた場合、３．２ｇ／ｃｍのトルクとなり、十分な発生力が得られることが分かる。
【００７７】  このように形状記憶合金線材を配置した場合、半径０．５ｍｍの回転軸を持つナックル２０１を２５度回転させるために必要な形状記憶合金線材の長さは、次のように計算される。
・半径０．５ｍｍの軸が２５度回転する際の軸表面上の１点が移動する円弧長：
２π＊０．５＊（２５／３６０）＝０．２２（ｍｍ）
・形状記憶合金線材の収縮率が５％の場合に、０．２２ｍｍのストロークを得るための伸長時長さ：
０．２２／５＊１００＝４．４（ｍｍ）
【００７８】このように、短い形状記憶合金線材を用いてナックルを駆動し、解放位置を得る事が可能になる。Ｋａｄｅｅ社の  ＭＡＧＮＥ−ＭＡＴＩＣ（Ｒ）  ＷＨＩＳＫＥＲ（Ｒ）  Ｃｏｕｐｌｅｒ  製品シリーズでは、カプラーポケットの回転軸からナックルヘッド後端までの距離は、短い物で約６ｍｍ、長い物で約１０ｍｍなので、この全長の内部にアクチュエータを収める事が十分に可能である。
【００７９】  本発明の第３の実施の形態は、人型ロボット等の表情を豊かにするために顔面に配置された表情部材を動かす、表情筋駆動装置に使用するアクチュエータである。図７は表情筋駆動装置の構成例である。
【００８０】  形状記憶合金線材を固定すると共にこれに電力を供給するための通電電極部３３６を備えた電子基板３２４と、回転軸３１０と線材固定穴３２９と負荷固定部３３０とを備えた腕３３２と、電子基板３２４上に両端を固定され回転軸３１０に巻き掛けられた後腕３３２の線材固定穴３２９に中間部を引っ掛けられた形状記憶合金線材３２１と、からなり、腕３３２の回転軸３１０は頭蓋骨部材（図示せず）上に回転可能に固定され、負荷固定部３３０は表情部材３３７の表情筋接続部３３３とリンク３３４で接続されている。
【００８１】  外部の駆動制御器３３５から通電電極部３３６を通じて形状記憶合金線材３２１に電力が供給されると、形状記憶合金線材３２１は収縮し、腕３３２を図上で反時計回りに回転させ、リンク３３４に接続された表情筋接続部３３３を牽引し、これにより、顔面に配置された表情部材３３７が変形し、ロボットに表情の変化を与える。
【００８２】  このような使用目的においては、顔面上の限られたスペースに多数のアクチュエータを配置する必要があり、さらに、アクチュエータを駆動対象に対して片側にしか配置することができないので、小型かつ薄型の牽引アクチュエータが必要になるが、本発明によれば可能である。
【００８３】  以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【産業上の利用可能性】
【００８４】  本発明によれば、
１）実施例１で述べたように、形状記憶合金線用いた、小型の牽引アクチュエータが可能となる。
２）実施例２で述べたように、鉄道模型用連結器に遠隔操作可能な自動解放機能を備えるためのアクチュエータとして、形状記憶合金線を効果的に用いることができ、さらにこのアクチュエータを用いた場合、当該鉄道模型用連結器は、以下の特徴を備える。
・任意の位置で遠隔解放動作が行える。
・既存の模型用連結器と同じ取り付け方法で、同じ寸法内に収めることができ、専用車両や大掛かりな改造による車両内部スペースの変更を必要としない。
・既存の模型用連結器と同様の外観の再現性を維持する。
・既存の模型用連結器の部品を流用できる。
・既存の模型用連結器が備える自動連結および手動解放機能を妨げない。
・既存の遠隔解放用磁石装置の動作を妨げず、これと兼用することができる。
・カーブなど連結器の首振り時にも意図しない動作が発生しない。
３）さらにまた、例えば近年の介護あるいは癒しを与えるための人型ロボットにおいて、表情筋駆動装置などに応用でき、表情を豊かにし、使用者に親近感を与える事が可能となる。
【符号の説明】
【００８５】１０  回転軸
２１  形状記憶合金線材
２２  線材固定部ａ，ｂ
２４  アクチュエータ用電子基板
２６  ホルダー
２８  線材固定穴
３０  負荷固定部
３２  腕
３８  回転軸
３９  回転軸受け
４０  圧着端子
４１  端子固定用ねじ
４２  ピン
４３  線材通し穴
４４  形状記憶合金線材
１０１  ナックル
１０２  ナックルピン
１０３  ナックルヘッド
１０４  カプラーアーム
１０５  ナックルスプリング
１０６  カプラーポケット
１０７  カプラーポケットふた
１０８  解放レバー
１０９  ばねポスト
１１０  回転軸
１１１  爪
１１２  ナックルピン受け
１１３  回転軸受け
１１４  カプラー
１１５  カプラーボックス
１１６  取り付け穴
２０１  ナックル
２０２  ナックルピン
２０３  ナックルヘッド
２０４  カプラーアーム
２０５  ナックルスプリング
２０６  カプラーポケット
２０７  カプラーポケットふた
２０８  解放レバー
２０９  ばねポストａ，ｂ
２１０  回転軸
２１１  爪
２１２  ナックルピン受け
２１３  回転軸受け
２１４  カプラーＡ，Ｂ
２１５  カプラーボックス
２２１  形状記憶合金線材
２２２  線材固定部ａ，ｂ
２２４  アクチュエータ用電子基板
２２５  基板サポート部材
２２６  ホルダー
２２７  レバー固定穴
２２８  線材固定穴
３１０  回転軸
３２１  形状記憶合金線材
３２４  アクチュエータ用電子基板
３２９  回転軸固定穴
３３０  負荷固定部
３３１  電線ａ，ｂ
３３２  腕
３３３  表情筋接続部
３３４  リンク
３３５  駆動制御器
３３６  通電電極部
３３７  表情部材
【図１】
2016044672.tif 000003
【図２】
2016044672.tif 000004
【図３】
2016044672.tif 000005
【図４】
2016044672.tif 000006
【図５】
2016044672.tif 000007
【図６】
2016044672.tif 000008
【図７】
2016044672.tif 000009
【図８】
2016044672.tif 000010
【図９】
2016044672.tif 000011
【図１０】
2016044672.tif 000012
【図１１】
2016044672.tif 000013
【図１２】
2016044672.tif 000014
【図１３】
2016044672.tif 000015
【図１４】
2016044672.tif 000016
【図１５】
2016044672.tif 000017
【図１６】
2016044672.tif 000018