(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶相がマルテンサイト変態を起こしており、マルテンサイト逆変態温度以上に加熱するとマルテンサイト相がオーステナイト相へ変態して原形状を回復する形状記憶合金をインゴットから加工熱処理する際に圧延を繰り返して結晶配列に指向性を持たせた薄い板材を、同じく薄い板状の発熱体と交互に複数積層すると共に層間の滑りを拘束しない構造で必要厚さの板バネに構成されていることを特徴とする、形状記憶合金製のアクチュエータ。
【請求項２】
結晶相がマルテンサイト変態を起こしており、マルテンサイト逆変態温度以上に加熱するとマルテンサイト相がオーステナイト相へ変態して原形状を回復する形状記憶合金をインゴットから加工熱処理する際に圧延を繰り返して結晶配列に指向性を持たせた薄い板材を、同板材の長手方向に配置した１本ないし複数本並列に並べた線状の発熱体を挟んで積層すると共に層間の滑りを拘束しない構造で必要厚さの板バネに構成されていることを特徴とする、形状記憶合金製のアクチュエータ。
【請求項３】
結晶相がマルテンサイト変態を起こしており、マルテンサイト逆変態温度以上に加熱するとマルテンサイト相がオーステナイト相へ変態して原形状を回復する形状記憶合金をインゴットから加工熱処理する際に圧延を繰り返して結晶配列に指向性を持たせた細い線材を、同じく細い線状の発熱体とそれぞれ複数本並列に並べ、耐熱性で弾性な合成樹脂で一体化して必要厚さの板バネに構成されていることを特徴とする、形状記憶合金製のアクチュエータ。
【請求項４】
結晶相がマルテンサイト変態を起こしており、マルテンサイト逆変態温度以上に加熱するとマルテンサイト相がオーステナイト相へ変態して原形状を回復する形状記憶合金をインゴットから加工熱処理する際に、圧延を繰り返して結晶配列に指向性を持たせた薄い板材を、同じく薄い板状の発熱体と交互に複数積層すると共に層間の滑りを拘束しないように板同士の層間を自由にするか又は耐熱性の弾性な接着剤で接着して必要厚さの板バネに製造することを特徴とする、形状記憶合金製アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
結晶相がマルテンサイト変態を起こしており、マルテンサイト逆変態温度以上に加熱するとマルテンサイト相がオーステナイト相へ変態して原形状を回復する形状記憶合金をインゴットから加工熱処理する際に、圧延を繰り返して結晶配列に指向性を持たせた細い線材を、同じく細い線状の発熱体と共に形状記憶合金で製作した成形用型枠又は合成樹脂が接着しない材質の型枠の中へそれぞれ複数本並列に並べ、同型枠内へ耐熱性で弾性な合成樹脂を充填し一体化して必要厚さの板バネに製造することを特徴とする、形状記憶合金製アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、形状記憶合金製の板バネによるアクチュエータ及びその製造方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
土木建築の分野においても、形状記憶合金製のアクチュエータは、例えば図７と図８に示したように、梁のプレストレス導入機構の駆動源などとして使用されている。
【０００３】
即ち、梁１の軸線方向にＰＣ鋼棒２を通し、同梁１の端面に受け座３を当てがい、その外側に形状記憶合金製のアクチュエータ４を設置する。ＰＣ鋼棒２の先端部には前記アクチュエータ４を反力受けとするナット５をねじ込んでいる。また、同アクチュエータ４の外面には加熱手段として面状セラミックヒータ６が設置されている。
【０００４】
上記のように梁１のプレストレス導入機構の駆動源として使用されるアクチュエータ４の動作概要を図９に示す。
図９Ａは正常な力の平衡状態を示している。梁の曲げ変形によりＰＣ鋼棒２に作用する負荷（引っ張り力）が増大すると、形状記憶合金製アクチュエータ４は図９Ｂのように曲げ変形を生ずる。そこで面状セラミックヒータ６へ通電して加熱すると、アクチュエータ４は原形状回復の性質によりナット５を介してＰＣ鋼棒２を緊張し梁１の曲げ変形を修復するのである。
【０００５】
要するに、形状記憶合金中の結晶相は「高温安定相」であるところのオーステナイト相である。外力によって変形するときに応力誘起マルテンサイト相が生成され、これが所謂「マルテンサイト逆変態温度」以上に加熱されると、マルテンサイト相がオーステナイト相へと変態して、原形状を回復するのである。前記のアクチュエータ４はこうした動作原理を応用している。
【０００６】
形状記憶合金をアクチュエータとして利用する場合、その形態はコイルバネ形状（例えば特開昭５９−１０７８９４号公報、特開平４−２４８０３１号、特許第２７２４８１５号公報など参照）、あるいは板バネ形状（例えば特開昭６２−１２４８９３号公報など参照）とするのが一般的である。こうした形態のバネを予め変形させておくか、又は外力を受けて変形したときに、加熱して形状回復させ、その際の回復力を駆動力として利用するのである。
【０００７】
【本発明が解決しようとする課題】
ところで、形状記憶合金のインゴットから必要な寸法形状のバネを加工熱処理し一体物として製造する場合、母相中のオーステナイト相は多結晶体であるため、製造されたバネの結晶配列はアットランダムになっている。そのため、同バネの形状記憶・回復効果は等方的であり、指向性を持った結晶配列の場合に比較して形状記憶・回復効率は低下する。このような低下傾向は、アクチュエータの寸法が大きくなるほど顕著に現れる。
【０００８】
次に、図７と図８とに例示した、建築構造部材の制御（例えば梁の変形制御）に適用する形状記憶合金製アクチュエータ４の形態としては、コイルバネ形状や板バネ形状が考えられる。駆動力としての加熱回復力の発現は、形状記憶合金のひずみが疑似降伏域にあり、結晶相がマルテンサイト変態を起こしていることが必要である。
【０００９】
しかし、従来の形状記憶合金は直径が数mmの線材として製造されるのが殆どであり、その際、加熱回復力を積極的にアクチュエータとして応用する使用方法は希であった。形態がコイルバネ形状の場合は、コイル全体に弾性変形が生じても、コイル線材の降伏変形は小さいため、発生する加熱回復力（駆動力）も非常に小さいからである。
【００１０】
したがって、アクチュエータとして大きな駆動力を実現するためには、その形状を板バネ形状とし、曲げの形式で使用するのが効果的である。しかしながら、建築部材の制御に使用できる寸法の板バネ（厚さが数１０mm以上）は極めて特殊な事例であり、工業的に製造された例は見聞しない。
一方、金属材料は、圧延処理を行うと、母相中の結晶配列が指向性を持つようになる。これは金属学的に見て、既知の重要な現象である。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、形状記憶合金製アクチュエータの形状記憶・回復効率を向上させること、換言すれば、圧延を繰り返して結晶配列に指向性を持たせた薄い板材、又は細い線材を並列に集束して板状となし、これらを必要な寸法の板バネとして構成した形状記憶合金製アクチュエータ、およびその製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する手段として、請求項１に記載した発明に係る形状記憶合金製のアクチュエータは、
結晶相がマルテンサイト変態を起こしており、マルテンサイト逆変態温度以上に加熱するとマルテンサイト相がオーステナイト相へ変態して原形状を回復する形状記憶合金をインゴットから加工熱処理する際に圧延を繰り返して結晶配列に指向性を持たせた薄い板材を、同じく薄い板状の発熱体と交互に複数積層すると共に層間の滑りを拘束しない構造で必要厚さの板バネに構成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載した発明に係る形状記憶合金製のアクチュエータは、
結晶相がマルテンサイト変態を起こしており、マルテンサイト逆変態温度以上に加熱するとマルテンサイト相がオーステナイト相へ変態して原形状を回復する形状記憶合金をインゴットから加工熱処理する際に圧延を繰り返して結晶配列に指向性を持たせた薄い板材を、同板材の長手方向に配置した１本ないし複数本並列に並べた線状の発熱体を挟んで積層すると共に層間の滑りを拘束しない構造で必要厚さの板バネに構成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載した発明に係る形状記憶合金製のアクチュエータは、
結晶相がマルテンサイト変態を起こしており、マルテンサイト逆変態温度以上に加熱するとマルテンサイト相がオーステナイト相へ変態して原形状を回復する形状記憶合金をインゴットから加工熱処理する際に圧延を繰り返して結晶配列に指向性を持たせた細い線材を、同じく細い線状の発熱体とそれぞれ複数本並列に並べ、耐熱性で弾性な合成樹脂で一体化して必要厚さの板バネに構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載した発明に係る形状記憶合金製アクチュエータの製造方法は、
結晶相がマルテンサイト変態を起こしており、マルテンサイト逆変態温度以上に加熱するとマルテンサイト相がオーステナイト相へ変態して原形状を回復する形状記憶合金をインゴットから加工熱処理する際に、圧延を繰り返して結晶配列に指向性を持たせた薄い板材を、同じく薄い板状の発熱体と交互に複数積層すると共に層間の滑りを拘束しないように板同士の層間を自由にするか又は耐熱性の弾性な接着剤で接着して必要厚さの板バネに製造することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載した発明に係る形状記憶合金製アクチュエータの製造方法は、
結晶相がマルテンサイト変態を起こしており、マルテンサイト逆変態温度以上に加熱するとマルテンサイト相がオーステナイト相へ変態して原形状を回復する形状記憶合金をインゴットから加工熱処理する際に、圧延を繰り返して結晶配列に指向性を持たせた細い線材を、同じく細い線状の発熱体と共に形状記憶合金で製作した成形用型枠又は合成樹脂が接着しない材質の型枠の中へそれぞれ複数本並列に並べ、同型枠内へ耐熱性で弾性な合成樹脂を充填し一体化して必要厚さの板バネに製造することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施形態及び実施例】
結晶相がマルテンサイト変態を起こしていて、マルテンサイト逆変態温度以上に加熱するとマルテンサイト相がオーステナイト相へと変態して原形状を回復する形状記憶合金をインゴットから加工熱処理する際に圧延を繰り返して薄い板状又は細い線状に製造する。即ち、インゴットの加工熱処理の際に圧延を繰り返して薄い板状又は細い線状に成形することにより、結果的に結晶配列に指向性を持たせた薄い板材又は細い線材を作ることができる。前記の板材を同じく薄い板状の発熱体と交互に複数積層するか、又は細い線材を同じく細い線状の発熱体と共に成形用型枠の中へそれぞれ複数本並列に並べ、耐熱性で弾性な合成樹脂により一体的に固めて、必要寸法（厚さ数１０mm）の板バネとする。但し、板バネが曲げ変形する際には重層構造の板同士の層間に滑りが生ずるので、この滑りを拘束しないように板同士の層間を自由にするか、又は耐熱性の弾性な接着剤で接着する。
【００１８】
図１〜図５には、前記のようにして作られた板材を用いて積層構造に製造された板バネ形状のアクチュエータの横断面を概念的に示している。
先ず図１は、上述したように形状記憶合金のインゴットから加工熱処理する際に圧延を繰り返して製造し指向性を持たせた薄い板材１０を、同じく薄い板状の発熱体１１と交互の配置で複数層（図１では３層）に積層した構成のアクチュエータを示している。発熱体１１としては例えばセラミックス面状発熱体などを使用できる。但し、板バネ（アクチュエータ）に作用する外力が直接発熱体１１へ伝達しないように、板同士の層間を自由にするか、又は耐熱性の弾性な接着剤で接着した構造にする。
【００１９】
図２は、同じく形状記憶合金のインゴットの加工熱処理の際に圧延を繰り返して製造し指向性を持たせた薄い板材を、アクチュエータの基本幅の板材１０と、図示例では１／３幅の板材１０’との組合わせとし、一方、板状の発熱体１１は１／３幅とし、この発熱体１１はアクチュエータの基本幅の範囲において、前記１／３幅の板材１０’との関係で中央又は両側の位置へ交互に配置して所謂市松模様状の組み合わせとされ、伝熱効率の良い積層構造としたアクチュエータを示している。
【００２０】
図３は、上記のように製造した２枚の板材１０、１０を積層（但し、層数はこの限りではない。）するとともに、両板の中間の中央位置の長手方向に線状の発熱体１１を挟み込んだ構成のアクチュエータを示している。
図４は、線状の発熱体１１を幅方向に３本等配した構成のアクチュエータを示している。
図５は、云うなれば図４の構成を背中合せに２層積層した構成のアクチュエータを示している。
【００２１】
形状記憶合金製アクチュエータの形状記憶・回復効果は加熱のための熱源（ヒータなど）から与えられる熱のやり取りの如何に支配される。よって、上記のように薄い板材１０又は１０’の積層により製造されたアクチュエータ（板バネ）は、表面積が増大して熱交換効率が増し、加熱効率が高いので、形状記憶・回復の速度の大きい加熱回復力を発現する。したがって、建築部材の動的な挙動の制御にも適用できる。
【００２２】
次に、図６は形状記憶合金のインゴットの加工熱処理の際に圧延を繰り返して指向性を持たせた細い線材１３に成形し、複数の線材１３を並列に並べて一体化した板バネ形状のアクチュエータに製造する場合の実施形態を示している。
【００２３】
図６Ａは、形状記憶合金で製作した成形用形枠１２の中に、上記のように形状記憶合金の加工熱処理により成形した線材１３と、同じく線状の発熱体１１とをそれぞれ複数本並列に並べ、耐熱性で弾性な合成樹脂１４を充填して固め、成形用型枠１２と線材１３及び合成樹脂１４が三位一体となった板バネ形状のアクチュエータとして製造する実施例を示している。
【００２４】
また、図６Ｂは、成形用型枠として上記の合成樹脂１４が接着しない材質のものを使用して上記同様の製造工程を実施し、合成樹脂１４が硬化した後に脱型することにより板バネ形状のアクチュエータを製造する実施例を示している。
【００２５】
図６Ａのように製造された板バネ形状のアクチュエータの曲げ変形特性は、成形用型枠１２と線材１３及び合成樹脂１４が三位一体となった特性によって決定される。図６Ｂのように製造された板バネ形状のアクチュエータの曲げ変形特性は、線材１３及び合成樹脂１４の特性によって決定される。いずれにしても、合成樹脂１４は線材１３を固めて成形することが目的であり、期待する板バネ特性を発揮させるための線材１３の容積は合成樹脂１４の容積よりも大きいと考えられる。合成樹脂１４の特性が板バネの特性に対して支配的とならないように、線材１３と合成樹脂１４の容積比を決定することが肝要である。
【００２６】
勿論、本発明は、その要旨を逸脱することなく、当業技術者の通常の知識に基いてなされる設計変更や変形、応用の実施が可能である。例えば板材１０を直接純粋に積層し、発熱体は、外周面にのみ付着させる構成で実施することができる。
【００２７】
【本発明が奏する効果】
請求項１〜５に記載した発明に係る形状記憶合金製のアクチュエータ及びその製造方法によれば、薄い板材を積層して、又は細い線材を集合して板バネ形状に作られるので、加熱回復力を得るための加熱効率が向上し、アクチュエータの作動速度を上げることが可能である。
しかも、薄い板材や細い線材は形状記憶合金の結晶に指向性を持たせているので、形状記憶・回復効率が増大し、この意味でも高性能のアクチュエータを提供できるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るアクチュエータ（板バネ）の断面図である。
【図２】  本発明に係るアクチュエータ（板バネ）の異なる断面図である。
【図３】  本発明に係るアクチュエータ（板バネ）の異なる断面図である。
【図４】  本発明に係るアクチュエータ（板バネ）の異なる断面図である。
【図５】  本発明に係るアクチュエータ（板バネ）の異なる断面図である。
【図６】  Ａ、Ｂは形状記憶合金製による線材を集合してアクチュエータに製造した実施例を示した断面図である。
【図７】  形状記憶合金製アクチュエータの使用例を示した断面図である。
【図８】  図７の側面図である。
【図９】  Ａ〜Ｃは形状記憶合金製アクチュエータの作動概要を示した説明図である。
【符号の説明】
１０    形状記憶合金製の板材
１１    発熱体
１３    形状記憶合金製の線材
１２    成形用型枠
１４    合成樹脂
【図１】
0004201915.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004201915.tif 000007
【図７】
0004201915.tif 000008
【図８】
0004201915.tif 000009
【図９】
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