(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二方向性形状記憶効果を発現する形状記憶合金によって動作する形状記憶合金アクチュエータを設計する形状記憶合金アクチュエータの設計方法において、
前記形状記憶合金として、応力を縦軸、ひずみを横軸、応力に関しては上方が正方向、ひずみに関しては右方が正方向とした応力−ひずみ線図において、低温状態における応力−ひずみ線が、応力マイナスの領域においてひずみ零の位置から右方に延びるか、またはひずみ零の位置からほぼ応力零の線に沿って右方に延びる傾きの小さい低勾配部分と、この低勾配部分より右方において、比較的に大きな傾きで右上がりになる高勾配部分とを有する応力−ひずみ特性を有するものを選択し、
前記応力−ひずみ線図において、前記低勾配部分と、前記高勾配部分と、前記形状記憶合金の応力が所定の実用限界値となる実用応力限界線と、形状回復完了状態付近に設けられるひずみが所定値となる形状回復完了付近ひずみ限界線とで囲まれる領域内において前記形状記憶合金を動作させるようにする形状記憶合金アクチュエータの設計方法。
【請求項２】
前記形状記憶合金を動作させる領域を、前記応力−ひずみ線図において、応力零の線と、前記高勾配部分に近似した直線と、前記実用応力限界線と、前記形状回復完了付近ひずみ限界線とで囲まれる領域に簡略化する請求項１記載の形状記憶合金アクチュエータの設計方法。
【請求項３】
前記形状記憶合金は、引張ひずみ換算でひずみ２％以上の二方向性形状記憶効果を示す請求項１または２記載の形状記憶合金アクチュエータの設計方法。
【請求項４】
前記形状記憶合金は、形状回復可能なひずみ範囲のほぼ全範囲に渡って二方向性形状記憶効果を発現する請求項１，２または３記載の形状記憶合金アクチュエータの設計方法。
【請求項５】
前記形状記憶合金アクチュエータは前記形状記憶合金を変形させる方向に付勢するバイアス手段を有し、前記応力−ひずみ線図において前記バイアス手段の特性を示す線が前記形状記憶合金を動作させる領域を横切るようにする請求項１，２，３または４記載の形状記憶合金アクチュエータの設計方法。
【請求項６】
前記応力−ひずみ線図において前記バイアス手段の特性を示す線が前記高勾配部分および前記形状回復完了付近ひずみ限界線と交差するようにする請求項５記載の形状記憶合金アクチュエータの設計方法。
【請求項７】
二方向性形状記憶効果を発現する形状記憶合金によって動作する形状記憶合金アクチュエータにおいて、
前記形状記憶合金としては、応力を縦軸、ひずみを横軸、応力に関しては上方が正方向、ひずみに関しては右方が正方向とした応力−ひずみ線図において、低温状態における応力−ひずみ線が、応力マイナスの領域においてひずみ零の位置から右方に延びるか、またはひずみ零の位置からほぼ応力零の線に沿って右方に延びる傾きの小さい低勾配部分と、この低勾配部分より右方において、比較的に大きな傾きで右上がりになる高勾配部分とを有する応力−ひずみ特性を有するものが選択されており、
前記応力−ひずみ線図において、前記低勾配部分と、前記高勾配部分と、前記形状記憶合金の応力が所定の実用限界値となる実用応力限界線と、形状回復完了状態付近に設けられるひずみが所定値となる形状回復完了付近ひずみ限界線とで囲まれる領域内において前記形状記憶合金が動作するようになっている形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項８】
前記形状記憶合金は、引張ひずみ換算でひずみ２％以上の二方向性形状記憶効果を示す請求項７記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項９】
前記形状記憶合金は、形状回復可能なひずみ範囲のほぼ全範囲に渡って二方向性形状記憶効果を発現する請求項７または８記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項１０】
前記形状記憶合金を変形させる方向に付勢するバイアス手段を有し、前記応力−ひずみ線図において前記バイアス手段の特性を示す線が前記形状記憶合金が動作する領域を横切るようになっている請求項７，８または９記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項１１】
前記応力−ひずみ線図において前記バイアス手段の特性を示す線が前記高勾配部分および前記形状回復完了付近ひずみ限界線と交差するようになっている請求項１０記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項１２】
前記形状記憶合金の応力が前記実用限界値を超えないようにする応力限界設定手段を有している請求項７，８，９，１０または１１記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項１３】
前記応力限界設定手段は、前記形状記憶合金を支持する部材を有し、前記形状記憶合金の応力が前記実用限界値を超えようとすると、該応力が緩和する方向に前記形状記憶合金を支持する部材を変位させるようになっている請求項１２記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項１４】
前記形状記憶合金を支持する部材はバネ性を有し、前記形状記憶合金の応力が前記実用限界値を超えようとすると、該応力を緩和する方向に変位するようになっている請求項１３記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項１５】
前記応力限界設定手段は、常時は前記形状記憶合金を支持する部材を所定位置に拘束しているが、前記形状記憶合金の応力が前記実用限界値を超えようとすると変位して、前記形状記憶合金を支持する部材が前記所定位置から変位するのを許すバネを有している請求項１３記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項１６】
前記形状記憶合金は通電加熱により駆動されるようになっており、前記応力限界設定手段は、前記形状記憶合金の応力が前記実用限界値を超えようとすると、前記形状記憶合金に対する通電を停止するようになっている請求項１２記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項１７】
前記応力限界設定手段は前記形状記憶合金と共通の電流を流される参照用形状記憶合金を有し、前記参照用形状記憶合金の応力が前記実用限界値に対応する値を超えようとすると、前記形状記憶合金に対する通電を停止するようになっている請求項１６記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項１８】
前記形状記憶合金が前記形状回復完了付近ひずみ限界線を越えて形状回復するのを防止するひずみ限界設定手段を有している請求項７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６または１７記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項１９】
前記形状記憶合金は通電加熱により駆動されるようになっており、前記ひずみ限界設定手段は、前記形状記憶合金が所定以上形状回復しようとすると、前記形状記憶合金に対する通電を停止する請求項１８記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項２０】
前記ひずみ限界設定手段は前記形状記憶合金と共通の電流を流される参照用形状記憶合金を有し、前記参照用形状記憶合金が所定以上形状回復しようとすると、前記形状記憶合金に対する通電を停止するようになっている請求項１９記載の形状記憶合金アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状記憶合金を駆動源とする形状記憶合金アクチュエータおよびその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
はじめに、従来技術の問題点が容易に理解されるようにするため、従来は一般的にはあまり知られていない形状記憶合金の性質や問題等について述べる。
【０００３】
一般に形状記憶合金は多結晶体であり、最大限に形状記憶合金の動きを引き出すという観点だけに立てば、完全に焼き鈍しを行って結晶を大きくした状態で、大きな変形を加えればよい。例えば、Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金の場合、９００℃近い温度で数分から数十分焼き鈍ますことで、このような組織を得ることができる。こうした金属組織は、柔らかく、簡単に大変形を与えることができる。しかし、結晶の大きさや方位がランダムなため、内部には形状記憶効果の大変形についていけない部分が発生するので、形状回復時に負荷応力を加えない状態なら、ある程度大きな形状回復を繰り返すこともできるが、負荷応力が加えられた状態で同様な繰り返し動作をさせると、いわゆるダレや伸びといった永久変形を生じやすく、元の形に戻りにくくなる。また、微視的な材料内部の塑性変形が徐々に蓄積され、変形の障害となり、変形−形状回復できるひずみ、言い換えれば運動として取り出せるひずみ（以後運動ひずみという）も小さくなり、大きな運動ひずみは限られた僅かな回数しか利用できない。
【０００４】
実際に使用される形状記憶合金や超弾性材料では、冷間の強加工と焼きなまし処理の程度を調整することにより、加工硬化でできた堅牢な組織とランダムに分散した形状記憶効果の起きやすい結晶とが混じり合った状態に調整されることが多い。加工硬化で生じた部分が強固な繊維のように形状を保ち、それに囲まれた結晶が超弾性変形や形状記憶効果による大きな変形を受け持つ状態にしているのである。形状の安定化には、加工硬化の他に、不純物の析出等を使うこともある。こういった材料は、先述の完全に焼きなました不安定であるがよく動く材料を、非常に多数回繰り返し動かして落ち着かせたものと似ており、取り出せる運動ひずみは小さいものの、短時間に安定な状態を作れる。工業的には、運動ひずみが小さくとも、このように安定した素材の方が扱いやすい。しかし、形状記憶合金としての機能を十分出し切れてない状態である。
【０００５】
形状記憶合金の加熱時の形状回復力は、それ自身の材料強度を上回ると考えるのが自然である。言い換えれば、材料に永久的な変化を生じさせる負荷応力の限界が形状回復力より小さなところに存在するということである。このような性質は、あまり知られていないが、形状記憶合金アクチュエータの実用化を難しいものにしている最大の原因であり、機構設計を誤ると、耐久性のあるアクチュエータを作ることはできない。例えば、一般的なＴｉ−Ｎｉ系形状記憶合金に引っ張りひずみで１％を越える大きな予変形を与え、拘束した状態で加熱した際の形状回復力は、材料自身の疲労強度や弾性限界を上回り、材料自身の性質を変化（劣化）させるに十分な力を発生する。繰り返し運動させる用途では、これよりも小さなひずみでも、加熱のしかたによっては、材料内部の局部的な領域において、強い形状回復力がそれ自身の組織を破壊することも考えられ、形状記憶合金の形状や特性を不安定にする大きな要因となる。先述のように材料を加工硬化させることにより、強い外力に対してもある程度形状を安定させることはできるが、形状記憶効果を示す部分の多くを犠牲にするため、大きな運動ひずみを利用することができなくなる。現状では、多くの場合、本来は大きな回復量を持つＴｉ−Ｎｉ系形状記憶合金でも、コイルバネ等に加工し、小さなひずみをごまかしながら増幅して利用していることが多い。コイル等に冷間加工される際、加工硬化で材料の強度が増す一方、小さな予ひずみなら加熱しても結晶は大きな回復力を発生することがないからである。
【０００６】
本発明者は、上述のような従来の形状記憶合金に関する現象が生じる理由を以下のように考えている。形状記憶合金は、一般に図１の模式図に示されるように多結晶体であるが、結晶粒（粒内）は、超弾性材料の状態にあるため、大きな変形を受けても、その形状を回復することができる。しかし結晶粒界部は、組成は結晶粒のそれと同様でも、変形の方位が異なる隣同士の結晶を結びつけているため、構造的矛盾や欠陥をもっており、結晶粒のような超弾性材というよりむしろ普通材料に近い性質を有していると考えられる。そして、巨大な変形を受けて拘束された状態では、変形した結晶粒が形状記憶効果で発生する形状回復力が、この結晶粒界の強度より強いため、結晶粒界部が選択的に破壊（塑性変形等の永久変形や破断）されるものと考えられる。また、比較的低い応力しか加わってない状態でも、形状回復の完了点付近では、材料内部で、ほとんどの結晶が最大限の形状回復を行っている状態のため、結晶粒界に大きな力が加わり、破壊される部分が生じる可能性がある。このような完全な形状回復の状態で主に結晶粒界部に発生する、僅かな内部組織の破壊は、運動回数が少ない場合は目立たないが、１０万回を越えるような長寿命を要求されるアクチュエータ等では、大きな問題になる。従来の実用化されている形状記憶合金アクチュエータは、環境温度で動く温度作動素子として利用されているものがほとんどで、大きな運動ひずみで１０万回を大きく越えるような使用回数が想定されることは少なく、ここで問題にしているような応力が負荷されたままの状態で完全な形状回復に達するまで加熱される例もあまりなかった。そのため、このような問題が見えにくかったと思われる。しかし、通電加熱駆動型の形状記憶合金アクチュエータでは、頻繁に過熱されやすい状況がある上、商品としてはモーターやソレノイドと競合するため、大きな運動ひずみで長寿命が要求されるので、大きな問題になってくる。
【０００７】
本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたもので、本発明の１つの目的は、非常に多数回の繰り返し動作に耐え、動作寿命を従来より飛躍的に長くすることができるアクチュエータおよびその設計方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の他の目的は、形状記憶ひずみのほとんど全域を有効に使うことができ、操作範囲を従来より飛躍的に広くすることができる形状記憶合金アクチュエータおよびその設計方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、形状を安定にすることができる形状記憶合金アクチュエータおよびその設計方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、性能を安定にすることができる形状記憶合金アクチュエータおよびその設計方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、形状記憶合金の必要量を非常に簡単に見積もることができる形状記憶合金アクチュエータおよびその設計方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本出願人は、先に、特願２０００−２０４９２７において、微細結晶の多結晶体とされ、結晶の大きさを実質的に均一とされるとともに、結晶の方向を予定運動方向に適した方向に実質的に揃えられた形状記憶合金およびこのような形状記憶合金を得るための処理方法を開示した。ここで、予定運動方向とは、引張りやねじり曲げ運動等、処理後の形状記憶合金をアクチュエータとして使う場合に想定される方向をいう。例えば線状のものを収縮−伸張（弛緩）する形で使う場合は引張り方向、コイルバネ形状で使う場合はねじり方向となる（なお、コイルバネ形状で使う場合は、加熱時、ねじりおよび曲げ変形からの形状回復を行うことになるので、厳密に言うと予定運動方向はねじりおよび曲げ方向と言うこともできるが、実際にはねじりの要素の比率の方がはるかに高いので、実質的に予定運動方向はねじり方向である）。この本願出願人が先に開示した形状記憶合金は、巨大な二方向性（双方向性）形状記憶効果を発現する。
【００１３】
ここで、二方向性形状記憶効果とは、一般的には、一定形状を記憶させた形状記憶合金を低温で変形した後、加熱すると元の記憶した形状に戻り、これを低温にすると、前記低温で変形した形状に戻る現象をいう。すなわち、加熱と冷却だけで、外部からバイアス力を作用させることなく、形状記憶合金が自発的に形状変化を繰り返す訳であり、見た目には、低温時に変形した形状（マルテンサイト状態の形状）と高温時に形状回復した形状（母相状態の形状）との２つの形状を覚えているような挙動を示すことになる。そして、このような現象を生じる形状記憶合金を一般に二方向性形状記憶合金と呼んでいる。文献等によると二方向性形状記憶効果は、一般的に引張りひずみ換算でε=１％以下の部分的な現象であり、不安定なため実用化が困難とされている。事実、この現象を利用した実用に供されている機器類は、これまでのところほとんど見当たらない。
【００１４】
しかるに、前記特願２０００−２０４９２７において本出願人が開示した形状記憶合金は、形状記憶効果が発生するほぼ全域、すなわち形状回復可能な全ひずみ量の範囲で巨大な二方向性形状記憶効果を発生できる（多くの場合、無負状態でも引張りひずみで５％以上の二方向性形状記憶効果を発現することができる）。この形状記憶合金は、例えば、直線の引張方向に記憶形状を持つワイヤ状のものでは、加熱すると記憶している長さに収縮して硬くなる一方、冷却時には、負荷の無い状態でも、ちょうど筋肉が弛緩するように柔らかくなり、自分で伸びて低温時の元の長さと形に戻る。そして、このような巨大な二方向性形状記憶効果は、無負荷状態で１億回近い繰り返し動作でも安定して発現する。
【００１５】
本発明は、このような巨大な二方向性形状記憶効果を発現する二方向性形状記憶合金に適用するに好適なものである（なお、本発明は、前記本願出願人が先に開示した形状記憶合金以外にも、同様に数％に及ぶ巨大な二方向性形状記憶効果を発現する二方向性形状記憶合金が今後開発されるか、または既に開発されているならば、これらの形状記憶合金にも適用できるものと考えられる）。本発明は、通常の形状記憶合金で考えられる最大でも１％前後の小さなひずみ領域を利用する従来の形状記憶合金アクチュエータおよびその設計方法とは根本的に異なる。また、通常の形状記憶合金の二方向性形状記憶効果では、形状記憶合金だけで往復運動を行うような応用が考えられることが多いが、本発明は、二方向性形状記憶効果と他のバイアス力とを組み合わせるか、または動作方向が反対の２つの形状記憶合金を組み合わせる場合に好適なものである。また、巨大な二方向性形状記憶効果を発現する形状記憶合金の使用を前提にしたものであり、一般的な形状記憶合金や従来から報告されている引っ張りひずみで最大でも１％前後の小さくて不安定な二方向性形状記憶効果を発現する形状記憶合金には不適である。従来の二方向性形状記憶合金は、前述のように強度の塑性加工や不純物析出等による非常に強い応力場を材料内部に作ることによって作られる性質のため、本発明が対象とする二方向性形状記憶合金とは本質的に異なるものである。
【００１６】
なお、本明細書において、本発明が対象とする二方向性形状記憶合金とは、完全な二方向性を示さないまでも、形状回復可能なひずみ領域内で、低温での変形に力がほとんど必要ない形状記憶合金をも含むものとする。例えば、完全な二方向性を示す形状記憶合金で引っ張りコイルスプリングを作ると、低温では伸びきってしまった状態が安定なため、製品として扱いにくい。そのため同じ処理技術を使っていても、低温時の材料内部の応力をできるだけ零に近づけ、マイナスの応力にならないように調整した方がよいことがある（マイナスの応力については、後に図３に関連して説明する）。しかしこのような合金は、同様な金属組織を持っているから、巨大なひずみ領域で低温での変形に必要な力が零に近く、応力−ひずみ線図もほとんど同じ形である。本発明は、当然このような合金も対象にしており、このような形状記憶合金も二方向性形状記憶合金と呼ぶ。
【００１７】
形状記憶合金のような機能材料は、材料自体の性質に注目が集まることが多いが、実用的なものにするには、材料の改良と同時に使い方の開発や改良の方が大切である。不完全ながらも実際に使えるものが出てくれば、材料に求められる性質もより鮮明になって改良も進む。このように素材とその利用技術は、車の両輪のような関係である。本発明は、このような新しい性質を持った形状記憶合金の新しい使い方を提唱するものである。
【００１８】
一般的な形状記憶合金を焼きなました標準材料の応力−ひずみ線図（σ-ε線図）は、図２のようになる。形状記憶合金は、Ｍf点より低い低温で変形すると、図２の太線Ａのような応力−ひずみ線図を示す（実線は荷重を増大して行く過程、破線は除荷して行く過程を示している）。見かけは、鉄等の一般的な金属の塑性変形と同じような形であるが、ひずみ６〜７％付近から急激に応力が増加し、ついには破断する。これは、形状記憶合金の隣り合う原子同士の結びつきが関節を持ったリンクのような関係で、はじめは比較的小さな力で変形するが、動きやすい範囲が限定されており、これを超える変形は、リンクを壊さなくては起こせないためである。一旦低温で変形した形状記憶合金は、低い温度のままでは、応力を取り除いても、ほとんど変形が戻らない。同じ材料をＡf点より高い高温にした状態で引張り試験を行うと、細線Ｂのようになる（実線は荷重を増大して行く過程、破線は除荷して行く過程を示している）。横に寝る形や長さは低温のときと似ているが、変形させるためにずっと大きな応力が必要になる。この変形は、力を徐々に取り除くと、はじめに変形させた経路を下回るような経路をたどって回復する。形状記憶合金を低温で変形させた後に加熱したときは、経路Ｈから前記回復時の経路をたどって、元の形に戻る。しかしこのような大きな変形を繰り返し加えていると、原点の位置や線図の形が変わって行く。これは材料の内部が変化してしまうからである。通常は、経験的に変形を小さめに抑さえることで、こういった変化が生じない範囲で利用している。この変形の限界は、先に説明したように変形を受けた結晶粒が加熱時に発生する形状回復力が結晶粒界の強度を超えない変形の大きさで、最大でも引っ張りひずみで１％前後と考えられる。従来の形状記憶合金アクチュエータの一般的な設計方法は、低温時と高温時の応力−ひずみの差を利用するものであり、図２の原点付近の僅かな範囲にしか適用できない。一般に形状記憶合金アクチュエータを設計するには、いろいろな制約があるが、もっとも注意しなければいけないことは、先に述べたように低温で大きな変形を与えたまま拘束したり、強い力を加えた状態で加熱すると、高温で発生する形状回復力で形状記憶合金は、自分自身を壊してしまうことである。
【００１９】
本発明者のこれまでの経験では、多くの人は、形状記憶合金の動きや寸法変化には敏感であるが、発生する力の管理には、ほとんど関心を持たない。形状記憶合金を普通の材料のスプリングと同じように扱って、知らないうちに性能が劣化したり、寿命を縮めてしまうのはこのためと考えられる。普通の形状記憶合金では、形状回復力やバイアス力を完全に利用できないのである。このような性質は、形状記憶合金アクチュエータを難しいものにしている大きな原因であり、機構設計を誤ると耐久性のあるアクチュエータを作ることはできない。特に二つの形状記憶合金を相補的に使う差動型といわれるアクチュエータは、比較的大きな予ひずみを与えられた二つの形状記憶合金が、同時に加熱されて互いに強い形状回復力で引き合う状態になりやすい。この状態は、アクチュエータを動きにくくするだけでなく、先のような劣化現象を起こしやすいため、実用化が難しいと思われる。また実用的な動作寿命に影響を与える限界も、この変形の限界よりかなり小さいところに存在すると思われる。本発明者らの経験では、１０万回以上の動作を想定した場合、例えばＴｉ−Ｎｉ系形状記憶合金では、外部から加わる力とバイアスバネ等のアクチュエータの構成要素によって加わる力の和を、引張り応力で１００Ｍｐａからそれをやや上回る程度以下に制限しないと使用中に伸びたり、破断したりする虞がある。１０万回というのは、よく使われる民生部品の動作寿命の基準である。この応力の上限は、図中では、実用応力限界線と記した横線になる。実際には、この線より下の応力でしか繰り返し使えないのである。
【００２０】
低温状態の一般的なＴｉ−Ｎｉ系形状記憶合金では、この応力によって加えることのできる変形は、大きくても引っ張り応力換算で１％前後である。一般的な形状記憶合金では、低温時の変形に必要な力が回復可能なひずみの広い区間でこの実用応力限界線を上回ってしまう。したがって、たとえ加熱時に力がかからないような使い方をしても、大きな変形と形状回復を繰り返すと材料内部が徐々に変化する。これ以上の大変形域を利用した往復運動を安定して繰り返すアクチュエータを作ることは困難である。このような理由で一般的な形状記憶合金を使った、繰り返し動作を行うアクチュエータでは、板バネやコイルバネ等に加工し、発生する回復応力が大きくならないように、ひずみを小さく抑えたり、強い加工硬化をあたえて強度と引き替えに動きを悪くして狭いひずみの範囲で利用することが多い。従来、実用化されている多くの形状記憶合金アクチュエータをよく観察すると、鉄やステンレス等の普通材料のスプリングと同じくらいの小さなひずみ量でしか使っていないことが分かる。また種々の文献で公表されているコイルバネの計算式等は、弾性限度内の僅かな範囲でしか適用できないものであり、ほとんどの応用は、その範囲で用を足していることも事実である。素材自体の持つ形状回復可能な範囲に比べ、先述した形状の不安定さや動作寿命の問題を生じずに利用できる運動ひずみや負荷応力は非常に少ないのである。従来の形状記憶合金アクチュエータの実際の設計では、図２の応力−ひずみ線図の原点付近の非常に狭い範囲で、複雑な応力−ひずみ線図と格闘することになる。扱うひずみが小さいため材料の厳しい品質管理と緻密な設計が必要となることは言うまでもない。
【００２１】
図３は、巨大な二方向性形状記憶効果を発現する二方向性形状記憶合金（以下、特に断らない限り、単に二方向性形状記憶合金と言うとき、それは本発明が対象とする巨大な二方向性形状記憶効果を発現する二方向性形状記憶合金を指すものとする）の応力−ひずみ線図（力−変位線図）であり、加熱されて形状回復（収縮）した位置を原点にしており、一般的な形状記憶合金の応力−ひずみ線図に対応するものである。太線ＤはＭf点より低い低温状態の応力−ひずみ線を示している。細線ＥはＡf点より高い高温状態の応力−ひずみ線を示している（実線は荷重を増大して行く過程、破線は除荷して行く過程を示している）。一般的な形状記憶合金では、加熱・形状回復後、低温に戻しても形状が維持されるため、高温と低温時の変形の原点はほぼ一致する。一方、二方向性形状記憶合金は、低温時は普通の形状記憶合金でいう変形状態（伸びた状態）で内部の応力がマイナスから零になるため、実際は図中の点Ｏ’で形状的に安定する。点Ｏ’は、応力が零となる点である。しかしここでは、図２の一般的な形状記憶合金の応力−ひずみ線図と比較するため、便宜的に、加熱されて収縮した位置（形状回復した位置）を原点にして図３を表わした。二方向性形状記憶合金の高温時の応力−ひずみ線の形は、一般的な形状記憶合金と大きな違いはないが、低温時の応力−ひずみ線では、応力がマイナス方向に現れる。このマイナスの応力のため、力を加えなくても図中の点Ｏ’まで変形する（弛緩伸張する）。
【００２２】
本発明が対象とする二方向性記憶合金は、基本的に言って、このように応力−ひずみ線図において、低温状態における応力−ひずみ線Ｄが、応力マイナスの領域においてひずみ零の位置から右方に延びる傾きの小さい低勾配部分Ｄ1と、この低勾配部分Ｄ1より右方において比較的に大きな傾きで右上がりになる高勾配部分Ｄ2とを有するような応力−ひずみ特性を備えている。ただし、前述のように本発明は、完全な二方向性を示さないまでも、形状回復可能なひずみ領域内で低温での変形に力がほとんど必要ない形状記憶合金をも対象とし、この場合は、低勾配部分Ｄ1はひずみ零の位置からほぼ応力零の線に沿って右方に延びることになる。
【００２３】
次に、本発明による形状記憶合金のアクチュエータの設計方法を具体的に説明する。まず、二方向性形状記憶合金も、一般的な形状記憶合金と同様、拘束したまま加熱されれば材料が傷むので、応力の制限をする。すなわち、図３中の横線（実用応力限界線）以下で利用することにする。この値は、図２に記載した一般的な形状記憶合金に対する実用応力限界線のそれとほぼ同じである。しかし、二方向性形状記憶合金の場合は、低温での変形時に応力が必要ないかまたはほとんど必要ないため、利用できるひずみの大きさが、応力−ひずみ線の応力の立ち上がる部分と、この実用応力限界線の交点で制限される非常に広い範囲になる。なお、本発明において、応力の限界値を具体的にどのような値にするかは、必要とするアクチュエータの動作寿命に応じて定めることができる。
【００２４】
次に、形状記憶合金が十分加熱されて形状回復完了時に到達する、ひずみ領域の手前にも運動ひずみの限界を設ける。すなわち、前述のように徐々に進行する材料内部の自己破壊を防ぐため、形状回復完了状態付近にひずみ一定の直線である形状回復完了付近ひずみ限界線を設け、基本的には、これより左側では形状記憶合金を動作させないようにする。ここにおいて、この使用を禁止した領域は、前記一般的な形状記憶合金の設計において設定される利用可能なひずみの範囲とほぼ一致する。つまり従来の一般的な形状記憶合金で利用可能な範囲（図２で斜線を施した領域）が、本発明の設計方法では、使用を禁止する領域となる。本発明の設計方法は、言い方を変えれば、普通の形状記憶合金アクチュエータでは使用しないひずみの部分を主に使う方法である。前記形状回復完了付近ひずみ限界線の具体的な値を設定する一つの目安は、図５に示すような温度−ひずみ線図において加熱過程の曲線が横に寝る点（温度Ｔ1の点）であり、この点以上に形状回復させると、自己破壊が始まる傾向があることが本発明者の実験により確認されている。なお、図６は、図５の温度−ひずみ線図の測定条件を示しており、ワイヤ状の形状記憶合金１に錘２を吊して測定している。この場合、応力は１００Ｍｐａとされている。図５では、形状記憶合金１の低温時の安定状態を変位零とし、加熱による形状回復とともに変位が増大することとなるように縦軸がとられていることに注意されたい。
【００２５】
以上のようにして、本発明においては、形状記憶合金を動作させる範囲を、基本的に言って、応力−ひずみ線図（力−変位線図）において図３の斜線を施した領域とする。このような領域内で形状記憶合金を使用することにより、形状記憶合金の記憶形状の消失や性能低下に結びつく自己破壊を生じることなく、形状記憶ひずみのほとんど全域を有効に使い、非常に長寿命とすることができる。ただし、前記斜線の領域に加えて、図３中の格子縞模様を施した領域（低勾配部分Ｄ1と、形状回復完了付近ひずみ限界線と、実用応力限界線と形状回復完了付近ひずみ限界線との交点と低温状態におけるひずみ零の点とを結ぶ直線とで囲まれる領域）も、応力を十分小さくするか、または形状回復を完了させなければ、前記形状記憶合金の自己破壊を防止可能であるので、利用できる可能性はある。
【００２６】
図４は、本願発明のアクチュエータ設計法をより実用に便利にするために、二方向性形状記憶合金の使用領域を簡略化して考えたものである。すなわち、前記図３の斜線を施された形状記憶合金の動作領域を、応力零の線と、高勾配部分Ｄ2に近似した直線と、実用応力限界線と、形状回復完了付近ひずみ限界線とで囲まれる斜線を施した四角形の領域に簡略化して考える。この範囲に加えて、図４中の格子縞模様を施した領域（応力零の線と、形状回復完了付近ひずみ限界線と、実用応力限界線と形状回復完了付近ひずみ限界線との交点と原点とを結ぶ直線とで囲まれる領域）も、応力を十分小さくするか、または形状回復を完了させなければ、利用できる可能性はある。なお、図４においては、低勾配部分Ｄ1もそれに近似した直線で示している。
【００２７】
このように簡易化することにより、精緻な応力−ひずみ線図は考える必要がなくなる。利用できる力と変位が、高温のときは実用応力限界線をたどり、低温のときは原点（応力およびひずみ零の点）を通る応力零の線をたどるものと考える訳である。二方向性形状記憶合金の機械的な特性は、このように簡単な図形にまとめることができるため、アクチュエータ設計が非常に簡単になり、自由度が増す。
【００２８】
図１９は、本発明による設計法を適用したアクチュエータモデルの寿命試験の結果（途中経過）を示している（比較のために、従来の一般的形状記憶合金の動作寿命を併せて示している）。負荷応力１００Ｍｐａ、引っ張りで運動ひずみ３％のものは、これまで１億３千万回、同一応力で運動ひずみ４.５％のものは、９百万回を越える動作をしており、破断等の問題もなく、現在も試験を続行中である。運動ひずみの範囲や電気抵抗値等の物性的な変化もほとんど認められないため、材料内部で塑性ひずみの発生や進行等も起こっておらず材料がきわめて安定な条件で運動しているものと考えられる。従来の形状記憶合金アクチュエータは、負荷応力１００Ｍｐａで運動ひずみ２％の場合１０万回を越える操作を安定に行うことが難しかったことを考えれば、驚異的な性能と考えられる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００３０】
【実施例】
図７は、本発明によるアクチュエータの一実施例を示す。応力限界設定バネ３は、本実施例において応力限界設定手段を構成するもので、形状記憶合金ではない通常の金属で構成された引張コイルバネからなり、その一端部はバネ取付具４を介してアクチュエータ本体５に取り付けられている。前記応力限界設定バネ３は、図８に示されるように初期状態（外力を作用されておらず、該バネ３の変位が零の状態）において、所定の大きさの引張方向の初期バネ力（初張力）を有する特性のものとされている。前記応力限界設定バネ３の他端部には、接合具６を介してワイヤ状の形状記憶合金１の一端部が取り付けられている。前記形状記憶合金１は、前記特願２０００−２０４９２７において本出願人が開示した方法により作成された巨大な二方向性形状記憶効果を発現するＴｉ−Ｎｉ系またはＴｉ−Ｎｉ−Ｃｕ系二方向性形状記憶合金であり、図７に示されている状態より短い長さの状態を記憶している。この形状記憶合金１の他端部は、該合金１が延びる方向と平行方向に移動可能な操作端部材７に取り付けられている。この操作端部材７には形状記憶合金ではない通常の金属で構成された引張コイルバネからなるバイアスバネ８の一端部が取り付けられている。このバイアスバネ８の他端部は、バネ取付具４と反対位置において、バネ取付具９を介してアクチュエータ本体５に取り付けられている。ここにおいて、前記バイアスバネ８は、操作端部材７を介して形状記憶合金１を引っ張るように付勢している。このアクチュエータは操作端部材７を介して負荷（図示せず）を駆動するようになっている。
【００３１】
前記操作端部材７には通電ブラシ１０が取り付けられており、この通電ブラシ１０は形状記憶合金１の操作端部材７側の端部に電気的に接続されるとともに、導体１１に摺接されている。前記導体１１はアクチュエータ本体５に対して固定設置されており、形状記憶合金１が延びる方向と平行方向に延びている。前記通電ブラシ１０および導体１１は、一種のリミットスイッチ（センサー）の機能を果たして、本実施例においてひずみ限界設定手段を構成するものである。前記導体１１は電源１２の一方の極に電気的に接続されており、電源１２の他方の極はスイッチ１３を介して形状記憶合金１の応力限界設定バネ３側の端部に電気的に接続されている。
【００３２】
本実施例を理解しやすくするため、便宜上、まず、本実施例のアクチュエータが適切に設計されたものとして、その基本的な動作を説明する。スイッチ１３をオンにすると、電源１２−導体１１−通電ブラシ１０−形状記憶合金１−スイッチ１３−電源１２の経路で電流が流れ、ジュール熱により形状記憶合金１が所定温度範囲まで加熱され、形状記憶効果によりバイアスバネ８に抗して記憶している長さに戻ろうとして収縮するので、操作端部材７が図上左方に移動する。他方、スイッチ１３をオフにすると、形状記憶合金１に対する通電が停止され、形状記憶合金１が冷却して該合金１が弛緩して自ら伸び変形しようとする上、バイアスバネ８が引っ張り力を作用しているので、形状記憶合金１は伸び変形し、操作端部材７は図上右方に移動する。以後、同様にしてスイッチ１３がオンオフされる毎に、形状記憶合金１が伸縮し、操作端部材７は図上左右に往復運動する。
【００３３】
次に、本実施例における設計方法を説明する。ここでは、図４と同様に簡略化された図９の応力−ひずみ線図を用いて形状記憶合金１の動作領域を決定する。すなわち、応力零の線と、高勾配部分Ｄ2に近似した直線と、実用応力限界線と、形状回復完了付近ひずみ限界線とで囲まれる領域（斜線を施した領域）を形状記憶合金の動作領域とする。
【００３４】
実用応力限界線の値、すなわち応力の実用限界値は、予め行っておく基礎実験による寿命のデータに基づいて、このアクチュエータに要求される寿命に応じた値とする。そして、応力限界設定バネ３の初期バネ力（初張力）をこの決定された応力の実用限界値に対応した大きさに設定する。すると、形状記憶合金１に作用する応力が前記実用限界値以下の場合は、応力限界設定バネ３は伸ばされないので、形状記憶合金１と応力限界設定バネ３との接続部はアクチュエータ本体５に対し固定されているため、アクチュエータは前述のように動作する。しかし、形状記憶合金１に作用する応力が前記限界値を超えようとすると、応力限界設定バネ３が伸ばされるので、形状記憶合金１に作用する応力が前記実用限界値を超えることが防止される。これにより、図９において形状記憶合金１の動作範囲を実用応力限界線より下方とすることができる。なお、操作端部材７に掛かる負荷の大きさ等から考えて、形状記憶合金１に作用する応力が実用応力限界線を越えることはないことが明らかな場合は、応力限界設定バネ３等の応力限界設定手段を省略することができる。
【００３５】
形状回復完了付近ひずみ限界線のひずみの値は、前記図５のような温度−ひずみ線図において、加熱過程の曲線が横に寝る点（温度Ｔ1の点）のひずみの値とする。そして、形状記憶合金１がこの形状回復完了付近ひずみ限界線まで形状回復して来ると、通電ブラシ１０が導体１１から離れてしまうように通電ブラシ１０と導体１１の位置関係を設定する。すると、形状記憶合金１が形状回復完了付近ひずみ限界線まで形状回復しない間は、通電ブラシ１０と導体１１とが接触しているので、アクチュエータは前述のように動作するが、形状記憶合金１が形状回復完了付近ひずみ限界線まで形状回復してくると、通電ブラシ１０と導体１１とが非接触になり、形状記憶合金１に対する通電ひいては加熱が停止されるので、形状記憶合金１の形状回復が停止される。これにより、図９において形状記憶合金１の動作範囲を形状回復完了付近ひずみ限界線より右方とすることができる。
【００３６】
次に、バイアスバネ８の設定について述べる。形状記憶合金１の応力−ひずみ線図（力−変位線図）にバイアスバネ８のそれを重ね、バイアスバネ８の線が形状記憶合金１の動作領域を横切るようにバイアスバネ８のバネ定数（バイアスバネ８の線の傾き）および変位が特定の値であるときのバネの力の大きさを設定する。例えば図９のようにバイアスバネ８のバネ定数等を設定した場合、操作端部材７に対し外力が作用していないとすると、形状記憶合金１が低温状態では、該合金１がバイアスバネ８を変形させようとする力は最大でも零であるから、操作端部材７はバイアスバネ８の力で低温状態の形状記憶合金１の応力−ひずみ線が立ち上がる部分とバイアスバネ８の線との交点ｃまで動かされる。低温では、この状態で安定し、交点ｃの位置がアクチュエータの動作の原点になる。形状記憶合金１を加熱し高温にしたときは、形状記憶合金１の形状回復力がバイアスバネ８の力を上回るので、操作端部材７はバイアスバネ８の線と形状回復完了付近ひずみ限界線との交点ｈまで動くと考える。このようにバイアスバネ８の線が形状回復完了付近ひずみ限界線および低温時の応力−ひずみ線の高勾配部分Ｄ2に交差するようにすれば、運動ひずみ（変位）のほぼ全域がアクチュエータの有効操作ひずみ量となる。なお、実用応力限界線とバイアスバネ８の線との差が加熱時のアクチュエータの有効操作力となり、バイアスバネ８の線と低温時の形状記憶合金１の応力−ひずみ線の低勾配部分Ｄ1との差が冷却時のアクチュエータの有効操作力となる。したがって、図９により、加熱時と冷却時にそれぞれ必要な有効操作力を考えてバイアスバネ８の特性を設定することができる。
【００３７】
なお、図９から明らかなように、極端な例では、図９においてバイアスバネ８の線が応力零の線に近くなるような弱いバネを用い、バイアス力がほとんどないような状態としても、往復運動ができるアクチュエータを作ることができる。この場合、形状回復力をほぼ完全に有効に取り出せるが、冷却時の有効操作力はほぼ零になる。動くだけならバイアス力は必要ないのである。また、長寿命を狙って実用応力限界線を低くしても、アクチュエータの操作量は大きく変わらない。少し強いバイアス力を使えば、変態点を上昇させることもできるし、低温時にその力を反対方向の運動に有効に使える。さらに、図９においてバイアスバネ８の線が実用応力限界線と交差するようにしてもよいが、その場合は、アクチュエータの有効操作ひずみ量が減少する。
【００３８】
このような本発明の設計法を適用すると、アクチュエータに必要な二方向性形状記憶合金１の量を見積もることも非常に簡単に行えるようになる。二方向性形状記憶合金１の運動を図４や９のように加熱時の実用最大応力一定、最低応力ほぼ零と考えることができるため、実用最大応力と通常４.５〜５％の運動ひずみ量との積を材料によってほぼ一定と考えることができる。したがってアクチュエータに必要な出力をこの値で割れば、必要な材料の量が得られることになる。例えば、図２０に示すようにワイヤ状の二方向性形状記憶合金１ｍ当たり１ストローク（１収縮）毎の実用最大仕事量をＷp、実用最大負荷荷重をＦp、実用最大操作変位をＬpとすると、
0004243042.tif 000002
これにより、形状記憶合金１の径または長さの一方を決めれば、他方も決まる。
【００３９】
図１０は、図７の応力限界設定バネ３に代えて使用することができる応力限界設定手段の他の実施例を示している。本実施例においては、応力限界設定手段は板バネ１４とバネ拘束体１５とからなり、板バネ１４の一端部はアクチュエータ本体５に取り付けられている。前記板バネ１４の他端部には図７の形状記憶合金１の一端部が取り付けられる。前記板バネ１４は、もしバネ拘束体１５がないとすると、形状記憶合金１から力を作用されない状態では一点鎖線で示すように図上左方に湾曲するようになっているが、実際には実線で示されるようにバネ拘束体１５に当接されて真直ぐな状態となるようにされている。これにより、板バネ１４は図７の応力限界設定バネ３の初張力に相当する初期バネ力を有している。
【００４０】
本実施例においては、形状記憶合金１に作用する応力が所定の実用限界値以下の場合は、板バネ１４は図の実線で示されるような真直ぐな状態となっており、形状記憶合金１と板バネ１４との接続部はアクチュエータ本体５に対し固定されているため、アクチュエータは通常通り動作する。しかし、形状記憶合金１に作用する応力が前記実用限界値を超えようとすると、板バネ１４が形状記憶合金１の応力を緩和させる方向、すなわち二点鎖線で示すように自由な状態とは逆方向に湾曲され、バネ拘束体１５から離間するので、形状記憶合金１に作用する応力は前記実用限界値を超えない。
【００４１】
図１１は、応力限界設定手段のさらに他の実施例を示している。本実施例においては、応力限界設定手段は外筒部材１６と、内筒部材１７と、形状記憶合金ではない圧縮コイルバネ２２とを有してなる。前記外筒部材１６の図上左端部はアクチュエータ本体５に取り付けられた取付具４に回動軸１９を中心として回動可能に支持されており、この外筒部材１６の内周には内筒部材１７が軸方向に移動可能に嵌合されている。前記内筒部材１７の図上右端部には図７の形状記憶合金１の図上左端部が取り付けられる。前記外筒部材１６に固定的に設けられていて内方に突出するバネ受け２０は、内筒部材１７の周壁に軸方向と平行方向に設けられたスリット２１から内筒部材１７内に侵入している。前記バネ受け２０と内筒部材１７の底部との間には前記圧縮コイルバネ２２が介装されており、この圧縮コイルバネ２２は外筒部材１６に対して内筒部材１７を図上左方に付勢している。これにより、通常は、図１１のようにバネ受け２０がスリット２１の図上右端部に当接し、外筒部材１６に対して内筒部材１７がそれ以上左方に動けない状態となっている。この状態において圧縮コイルバネ２２は図７の応力限界設定バネ３の初張力に相当する初期バネ力を有している。
【００４２】
本実施例においては、形状記憶合金１に作用する応力が所定の実用限界値以下の場合は、圧縮コイルバネ２２の力によりバネ受け２０がスリット２１の図上右端部に当接した状態となっており、形状記憶合金１と内筒部材１７との接続部はアクチュエータ本体５に対し固定されているため、アクチュエータは通常通り動作する。しかし、形状記憶合金１に作用する応力が前記実用限界値を超えようとすると、圧縮コイルバネ２２が一層圧縮され、外筒部材１６に対して内筒部材１７が図上右方に移動するので、形状記憶合金１に作用する応力は前記実用限界値を超えない。
【００４３】
図１２は、本発明によるアクチュエータの他の実施例を示している。本実施例においては、応力限界設定手段は図１０のそれと同様の板バネ１４およびバネ拘束体１５を備えているが、板バネ１４およびバネ拘束体１５にはそれぞれ接点２４，２５が設けられており、形状記憶合金１に作用する応力が所定の実用限界値以下の場合は、２つの接点２４，２５が互いに接触されるようになっている。前記板バネ１４およびバネ拘束体１５は導電性を有しており、接点２４は板バネ１４を介して形状記憶合金１の一端に接続される一方、接点２５はバネ拘束体１５を介してスイッチ１３の一方の極に電気的に接続されている。他の構成は前記図７の実施例と同様である。
【００４４】
本実施例においては、形状記憶合金１に作用する応力が前記実用限界値以下の場合は、板バネ１４は図の実線で示されるように真直ぐな状態となっていて、形状記憶合金１と板バネ１４との接続部はアクチュエータ本体５に対し固定されており、２つの接点２４，２５が互いに接触されているため、アクチュエータは通常通り動作する。しかし、形状記憶合金１に作用する応力が前記実用限界値を超えようとすると、板バネ１４が二点鎖線で示すように自由な状態とは逆方向に湾曲され、バネ拘束体１５から離間し、板バネ１４と形状記憶合金１との接続部が形状記憶合金１に作用する応力を緩和する方向（図上右方）に移動すると同時に、２つの接点２４，２５が互いに離間され、形状記憶合金１に対する通電が停止されるので、形状記憶合金１に作用する応力は前記実用限界値を超えない。
【００４５】
図１３は、図１２の応力限界設定手段に代えて使用することができる応力限界設定手段の他の実施例を示している。本実施例においては、応力限界設定手段のバネ拘束体２６はアクチュエータ本体５に取り付けられた取付具４に回動軸２８を中心として回動可能に支持されている。このバネ拘束体２６内には接点２５が固定されるとともに、板バネ２９がその両端部を支持されて装着されている。前記板バネ２９はその中央部に接点２４を固定されるとともに、図１２の形状記憶合金１の左端部を接続される。前記板バネ２９は自由な状態では図示の状態よりさらに回動軸２８側に大きく湾曲されるようになっており、これにより形状記憶合金１から力を作用されない状態では、形状記憶合金１の所定の応力の実用限界値に対応する初期バネ力で接点２４を接点２５に押圧している。接点２４，２５は図１２の場合と同様にそれぞれスイッチ１３、形状記憶合金１に電気的に接続される。
【００４６】
本実施例においては、形状記憶合金１に作用する応力が前記実用限界値以下の場合は、板バネ２９のバネ力により接点２４，２５が互いに接触させる状態に湾曲されているため、アクチュエータは通常通り動作する。しかし、形状記憶合金１に作用する応力が実用限界値を超えようとすると、板バネ２９の湾曲が小さくなり、板バネ２９と形状記憶合金１との接続部が形状記憶合金１に作用する応力を緩和する方向（図上右方）に移動すると同時に、２つの接点２４，２５が互いに離間され、形状記憶合金１に対する通電が停止されるので、形状記憶合金１に作用する応力は前記実用限界値を超えない。
【００４７】
図１４は、本発明によるアクチュエータのさらに他の実施例を示す。アクチュエータ本体５に固定された取付具４には、接合具６を介して前記各実施例と同様のワイヤ状の形状記憶合金１の一端部が取り付けられている。この形状記憶合金１は、図１４に示されている状態より短い長さの状態を記憶している。操作端部材７は、基本的には直線状のアーム状をなしていて、その中間部をアクチュエータ本体５に立設された軸３０に回動可能に支持されている。前記操作端部材７には、軸３０と同軸になるようにして横断面円形のプーリー状の巻き掛け部３１が一体的に設けられている。前記形状記憶合金１の他端部は巻き掛け部３１の外周の１点に固定されており、この端部付近の部分は巻掛け部３１の外周に巻き掛けられている。前記アクチュエータ本体５に立設されたピン３２と操作端部材７の一端部との間には、形状記憶合金ではない通常の金属で構成された引張コイルバネからなるバイアスバネ８が介装されており、このバイアスバネ８は操作端部材７を形状記憶合金１を伸張する方向、すなわち図上時計方向に付勢している。このアクチュエータは操作端部材７の他端部側（図上上端部）を介して負荷（図示せず）を駆動するようになっている。
【００４８】
応力管理素子３３は本実施例における応力限界設定手段を構成しており、次のような構成を有している（図１５はこの応力管理素子３３の拡大断面図である）。ケース３４内には形状記憶合金１と同一材料からなるワイヤ状の参照用形状記憶合金３５が収容されており、この参照形状記憶合金３５の一端部はケース３４の一方の端部に取り付けられている。前記参照用形状記憶合金３５の他端部にはバネ受け３６が取り付けられている。前記バネ受け３６には接点３７が固定されており、この接点３７はケース３４の他方の端部の内面に固定された接点３８に対向されている。前記バネ受け３６とケース３４の接点３８と反対側の端部との間には形状記憶合金ではない通常の金属で構成された圧縮コイルバネからなるバイアスバネ３９が介装されており、このバイアスバネ３９は参照用形状記憶合金３５を、該合金３５を伸ばして接点３７を接点３８に接触させる方向に付勢している。前記バイアスバネ３９は、形状記憶合金１の所定の応力の実用限界値に対応する初期バネ力で接点３７を接点３８に押圧している。前記参照用形状記憶合金３５のバネ受け３６と反対側の端部はスイッチ１３を介して電源１２の一方の極に接続されており、この電源１２の他方の極は形状記憶合金１の巻き掛け部３１側の端部に電気的に接続されている。接点３８は次に説明するひずみ管理素子４０に電気的に接続されている。
【００４９】
前記ひずみ管理素子４０は本実施例におけるひずみ限界設定手段を構成しており、次のような構成を有している（図１６はこのひずみ管理素子４０の拡大断面図である）。ケース４１内には形状記憶合金１と同一材料からなるワイヤ状の参照用形状記憶合金４２が収容されており、この参照用形状記憶合金４２の一端部はケース４１の一方の端部に取り付けられるとともに、応力管理素子３３の接点３８に電気的に接続されている。前記参照用形状記憶合金４２の他端部にはブラシ支持体４３が取り付けられている。このブラシ支持体４３とケース４１の反対側の端部との間には形状記憶合金ではない通常の金属で構成された圧縮コイルバネからなるバイアスバネ４４が介装されており、このバイアスバネ４４は参照用形状記憶合金４２を伸ばす方向に付勢している。前記ブラシ支持体４３に設けられた通電ブラシ４５は、ブラシ支持体４３を介して参照用形状記憶合金４２に電気的に接続されるとともに、導体４６に摺接されている。前記導体４６はケース４１内に固定設置されており、参照用形状記憶合金４２と平行方向に延びている。前記導体４６は形状記憶合金１の取付具４側の端部に電気的に接続されている。
【００５０】
本実施例を理解しやすくするため、まず、本実施例が適切に設計されたものとして、本実施例の基本的な動作を説明する。スイッチ１３をオンにすると、電源１２−形状記憶合金１−ひずみ管理素子４０の導体４６−通電ブラシ４５−参照用形状記憶合金４２−応力管理素子３３の接点３８−接点３７−参照用形状記憶合金３５−スイッチ１３−電源１２の経路で電流が流れ、形状記憶合金１が所定温度範囲まで加熱され、形状記憶効果によりバイアスバネ８に抗して記憶している長さに戻ろうして収縮するので、操作端部材７が図上反時計方向に回動する。他方、スイッチ１３をオフにすると、形状記憶合金１に対する通電が停止され、形状記憶合金１が冷却して、バイアスバネ８により操作端部材７は図上時計方向に回動する。なお、このとき形状記憶合金１は弛緩し、バイアスバネ８の付勢力によってのみならず、自らも伸び変形しようとする。以後、同様にしてスイッチ１３がオンオフされる毎に、形状記憶合金１が伸縮し、操作端部材７は図上反時計方向および時計方向に往復運動する。
【００５１】
本実施例においても、図７の実施例の場合と全く同様にして、図９に示したような応力−ひずみ線図を用いてアクチュエータの設計を行うことができる。また、本実施例では、形状記憶合金１、応力管理素子３３の参照用形状記憶合金３５およびひずみ管理素子４０の参照用形状記憶合金４２が直列に接続されているので、各形状記憶合金１，３５，４２には同一の電流が流れる。したがって、応力管理素子３３のバイアスバネ３９の初期バネ力を適切に設定しておけば、形状記憶合金１の応力が前記実用限界値に達することとなるような状態になったとき、参照形状記憶合金３５も形状記憶合金１と同様の加熱状態となり、参照形状記憶合金３５の形状回復力により応力管理素子３３の接点３７，３８が離間し、形状記憶合金１に対する通電が停止されることにより、形状記憶合金１の応力が前記実用限界値を超えないようにすることができる。また、同様にして、ひずみ管理素子４０の通電ブラシ４５が導体４６から離れる位置を適切に設定しておけば、形状記憶合金１が形状回復完了付近ひずみ限界線のひずみの値まで形状回復してくると、通電ブラシ４５と導体４６とが非接触になり、形状記憶合金１に対する通電ひいては加熱が停止され、形状記憶合金１の形状回復が停止されるようにすることができる。このようにして本実施例では、応力管理素子３３およびひずみ管理素子４０により、電流を介して間接的に駆動用形状記憶合金１の応力および形状回復完了状態付近のひずみの管理を行うことができる。これらの素子３３，４０は、前記各実施例におけるように駆動用形状記憶合金１に直接機械的に連係する応力限界設定手段やひずみ限界設定手段を設置しにくい場合に特に有効である。
【００５２】
図１７は、本発明によるアクチュエータのさらに別の実施例を示す。本実施例は、バイアス力として重力を利用する例である。アクチュエータ本体５にはプーリー４７が回転可能に支持されている。このプーリー４７に巻き掛けられた糸４８の一端部は操作端部材７に取り付けられており、この糸４８の他端部には錘４９が吊り下げられている。このようにバイアス手段としてバネ８の代わりに重力（錘４９）が用いられるになっている以外は、本実施例の構成は前記図７の実施例のそれと同様の構成とされている。
【００５３】
本実施例を理解しやすくするため、まず、本実施例が適切に設定されたものとして、本実施例の基本的な動作を説明する。スイッチ１３をオンにすると、形状記憶合金１に通電され、該合金１が所定温度範囲まで加熱され、錘４９に作用する重力に抗して記憶している長さに戻ろうとして収縮するので、操作端部材７が図上左方に移動する。他方、スイッチ１３をオフにすると、形状記憶合金１に対する通電が停止され、形状記憶合金１が冷却して該合金１が弛緩して自ら伸び変形しようとする上、錘４９が引っ張り力を作用しているので、形状記憶合金１は伸び変形し、操作端部材７は図上右方に移動する。以後、同様にしてスイッチ１２がオンオフされる毎に、形状記憶合金１が伸縮し、操作端部材７は図上左右に往復運動する。
【００５４】
次に、本実施例における設計方法を説明する。本実施例においても、図４および９と同様に簡略化された図１８の応力−ひずみ線図を用いて形状記憶合金１の動作領域を決定することとし、実用応力限界線および形状回復完了付近ひずみ限界線を図９の場合と同様にして定める。次に、形状記憶合金１の応力−ひずみ線図（力−変位線図）に錘４９による重力の線を重ね、この重力の線が形状記憶合金１の動作領域を横切るように錘４９の重さを設定する。重力の線は図では水平になるので、形状記憶合金１の動作変位が変化しても操作力の変化はほとんどない。錘４９によるバイアス力を限界応力の半分になるように設定すれば、アクチュエータのほぼ全操作量の範囲で往復とも同じ力を発生できるアクチュエータを作ることができる。応力限界設定バネ３（応力限界設定手段）並びに通電ブラシ１０および導体１１（ひずみ限界設定手段）の作用は図７の実施例の場合と同様である。
【００５５】
なお、本発明においては、応力限界設定手段やひずみ限界設定手段としては、前記各実施例に示した以外の形式のものも使用できる。勿論、前記各実施例におけるスイッチやブラシの部分を電子的なセンサーや半導体に置き換えることもできる。
【００５６】
また、本発明においては、バイアス手段としては、前記各実施例のようなものに限られることはなく、形状記憶合金の動作領域を横切って、変位を大きくとれるなら、どんなものでもよい。また、動作方向が反対の２つの形状記憶合金を組み合わせて用いることも可能である。
【００５７】
また、前記各実施例では形状記憶合金はワイヤ状とされているが、本発明においては形状記憶合金はコイル状、板状等のワイヤ状以外の形状とされていてもよい。
【００５８】
また、本発明における形状記憶合金とアクチュエータの操作端との連係機構は、前記各実施例のような機構に限られることはない。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように本発明は、
（イ）動作寿命を従来より飛躍的に長くすることができる、
（ロ）操作範囲を従来より飛躍的に広くすることができる、
（ハ）形状および性能を安定にすることができる、
（ニ）アクチュエータに必要な形状記憶合金の量を非常に簡単に見積もることができる、
等の優れた効果を得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】形状記憶合金の金属組織を示す模式図である。
【図２】従来の一般的なＴｉ−Ｎｉ系形状記憶合金の代表的な応力−ひずみ線図である。
【図３】巨大な二方向性形状記憶効果を発現する二方向性形状記憶合金の代表的な応力−ひずみ線図である。
【図４】図３を簡略化した応力−ひずみ線図である。
【図５】巨大な二方向性形状記憶効果を発現する二方向性形状記憶合金の代表的な温度−ひずみ線図である。
【図６】図５の温度−ひずみ線図の測定条件を示す正面図である。
【図７】本発明によるアクチュエータの一実施例を示す正面図である。
【図８】図７の実施例における応力限界設定バネの特性を示す特性図である。
【図９】図７の実施例における設計方法を示す応力−ひずみ線図である。
【図１０】応力限界設定手段の他の実施例を示す正面図である。
【図１１】応力限界設定手段のさらに他の実施例を示す断面図である。
【図１２】本発明によるアクチュエータの他の実施例を示す正面図である。
【図１３】応力限界設定手段の別の実施例を示す断面図である。
【図１４】本発明によるアクチュエータのさらに他の実施例を示す正面図である。
【図１５】図１４の実施例における応力管理素子を示す拡大断面図である。
【図１６】図１４の実施例におけるひずみ管理素子を示す拡大断面図である。
【図１７】本発明によるアクチュエータのさらに別の実施例を示す正面図である。
【図１８】図１７の実施例における設計方法を示す応力−ひずみ線図である。
【図１９】本発明による設計法を適用したアクチュエータモデルの寿命試験の結果（途中経過）を示すグラフである。
【図２０】二方向性形状記憶合金の１ストローク毎の仕事量と必要な形状記憶合金の量の概算の説明図である。
【符号の説明】
Ｄ    低温状態における応力−ひずみ線
Ｄ1   低勾配部分
Ｄ2   高勾配部分
１    形状記憶合金
３    応力限界設定バネ（応力限界設定手段）
７    操作端部材
８    バイアスバネ
１０    通電ブラシ（ひずみ限界設定手段）
１１    導体（ひずみ限界設定手段）
１４    板バネ（応力限界設定手段）
１５    バネ拘束体（応力限界設定手段）
１６    外筒部材（応力限界設定手段）
１７    内筒部材（応力限界設定手段）
２２    圧縮コイルバネ
２４，２５  接点（応力限界設定手段）
２６    バネ拘束体（応力限界設定手段）
３３    応力管理素子（応力限界設定手段）
３５    参照用形状記憶合金
３９    圧縮コイルバネ
４０    ひずみ管理素子（ひずみ限界設定手段）
４２    参照用形状記憶合金
４４    圧縮コイルバネ
４５    通電ブラシ
４６    導体
【図１】
0004243042.tif 000003
【図２】
0004243042.tif 000004
【図３】
0004243042.tif 000005
【図４】
0004243042.tif 000006
【図５】
0004243042.tif 000007
【図６】
0004243042.tif 000008
【図７】
0004243042.tif 000009
【図８】
0004243042.tif 000010
【図９】
0004243042.tif 000011
【図１０】
0004243042.tif 000012
【図１１】
0004243042.tif 000013
【図１２】
0004243042.tif 000014
【図１３】
0004243042.tif 000015
【図１４】
0004243042.tif 000016
【図１５】
0004243042.tif 000017
【図１６】
0004243042.tif 000018
【図１７】
0004243042.tif 000019
【図１８】
0004243042.tif 000020
【図１９】
0004243042.tif 000021
【図２０】
0004243042.tif 000022