(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状記憶合金（ＳＭＡ）バンドル（１０）の形成方法であって、
それぞれ第１ワイヤ端部（２４）および第２ワイヤ端部（２６）を有する複数のＳＭＡワイヤ（１２）を形成するステップと、
前記の複数のＳＭＡワイヤ（１２）からＳＭＡバンドル（１０）を形成するステップと、
熱処理工程中に前記ＳＭＡバンドル（１０）を加熱して、前記ＳＭＡバンドル（１０）を母相形状とするステップと、を有し、かつ、
前記形成ステップでは、非金属のプラスチック製ガイドを使用し、かつ潤滑剤を全く使用しないことを特徴とする形成方法。
【請求項２】
前記のＳＭＡバンドル（１０）を形成するステップの後に、
前記複数のＳＭＡワイヤ（１２）の前記第１ワイヤ端部（２４）および前記第２ワイヤ端部（２６）を把持することによって、前記熱処理工程中に前記ＳＭＡバンドル（１０）がほぐれないようにするステップを有することを特徴とする請求項１記載の形成方法。
【請求項３】
前記熱処理工程の前に、張力が加えられた状態で前記ＳＭＡバンドル（１０）を配置するステップを有することを特徴とする請求項１記載の形成方法。
【請求項４】
前記ＳＭＡバンドル（１０）を形成するステップの間、前記ＳＭＡバンドル（１０）を所定温度より低温に維持することによって、前記熱処理工程の前に加熱されないようにすることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記熱処理工程の前に、前記ＳＭＡバンドル（１０）を熱処理用固定具（３６）の内部に配置するステップを有することを特徴とする請求項１記載の形成方法。
【請求項６】
前記熱処理用固定具（３６）の形状が、前記母相形状を有する前記ＳＭＡバンドル（１０）の最終的な形状が決まった後に、設計されたものであることを特徴とする請求項５記載の形成方法。
【請求項７】
続いて、前記ＳＭＡバンドル（１０）にサイクル工程を行うことによって、初期クリープを減少させるステップを有することを特徴とする請求項１記載の形成方法。
【請求項８】
前記ＳＭＡバンドル（１０）をロープ（１８）として形成することを特徴とする請求項１記載の形成方法。
【請求項９】
前記ＳＭＡバンドル（１０）をストランド（１４）として形成することを特徴とする請求項１記載の形成方法。
【請求項１０】
前記ＳＭＡバンドル（１０）を、複数のストランド（１４）からなる列（３２）として形成することを特徴とする請求項１記載の形成方法。
【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（「ＳＭＡ」）に関し、特に、ＳＭＡバンドルを構成するＳＭＡ材料およびこのようなＳＭＡ材料により駆動されるアクチュエータに関する。
【０００２】
本願は、本願とともに出願され、本願の出願人に譲渡された「形状記憶合金アクチュエータにより駆動されるガスタービンエンジンのための可変面積ノズル」という名称の特許出願に関連している。
【０００３】
【従来の技術】
一般的な形状記憶合金つまり「ＳＭＡ」材料は、形状記憶効果を有し、「母相」状態つまり「母相」形状と、「変形」状態つまり「変形」形状と、を有する。ＳＭＡ材料は、低温でのマルテンサイト相状態で母相形状から変形させることができる。この形状記憶合金がその相変態温度より高温に加熱されてオーステナイト相状態になると、この形状記憶合金は元の形状つまり「母相」形状に戻ろうとする。ＳＭＡは、通常、銅（Ｃｕ）や他の様々な元素により改善することができるニッケル−チタン（ＮｉＴｉ）合金から形成される。従って、ＳＭＡの１つの有利な特性は、この材料が加熱されて元に戻ることによって、力が発生することである。
【０００４】
現在、ＳＭＡは、主に単一駆動（single actuation)の用途のために様々な産業に利用されており、あるいは受動的な用途(passive capacity)に利用されている。自動車産業では、周囲温度が上昇した場合に受動的に動作する熱感応制御バルブにＳＭＡが利用されている。ＳＭＡ材料を単一サイクルもしくは低サイクルで用いるものとして、さらに、医療産業における骨板、人工関節および歯科での用途がある。ＳＭＡ材料は、さらに、熱傷防止用シャワーバルブにも利用されている。ＳＭＡ材料が超弾性状態を有することは、現在、眼鏡フレームや携帯電話のアンテナに利用されている。ＳＭＡ材料は広く利用されているが、現在、ＳＭＡ材料を商業的に利用しているものの多くは、これを受動的に利用するもの、もしくは１回だけ利用するものである。
【０００５】
ＳＭＡ材料のある用途では、この合金が細いワイヤとして形状付けられる。ＳＭＡを用いることは、非常に有利であるが、ＳＭＡワイヤには多くの制限がある。ＳＭＡワイヤの主な制限の１つは、回復応力（recovery stress）である。回復応力によって、ＳＭＡワイヤにより発生する力の大きさが決まる。一般的に、耐性を考慮して、このような回復応力を２００００〜５５０００ポンド／平方インチ（２０〜５５ｋｐｓｉ）に制限すべきとされている。このことによって、０．０２０インチの一本のワイヤの出力が最大６〜１７ポンド（６〜１７ｌｂｓ）に制限される。より大きな出力を要する用途では、ＳＭＡが直線状のロッドもしくはチューブとして利用されている。しかし、ＳＭＡ材料が、大きな仕事を出力するのに十分大きな断面積を有する場合、コーナ部に沿って湾曲し得ないため、連続した部材としての用途が制限される。ＳＭＡ製ロッドもしくはＳＭＡ製チューブのセグメントを複数用いた場合は、機械的端部および電気的端部を多数形成しなければならないだけでなく、パッケージの問題が生じ、これによって、システムが著しく複雑になるとともに、全コストが高くなり、かつ信頼性が低下する。
【０００６】
既存のＳＭＡ材料の欠点として、疲労損傷がある。ＳＭＡ材料は、その疲労限界に達した場合に破壊的に損傷する傾向がある。従って、一本のワイヤつまり直径が大きなロッドを用いたシステムにおいて、ＳＭＡ材料が損傷すると、その疲労は、通常、破壊的なものとなる。
【０００７】
既存のＳＭＡ材料を機械的に取り付けるのに適した方法が、もう１つの欠点である。ＳＭＡは、確実に溶接することができず、かつその摩擦面積が小さく、さらに、マルテンサイト相とオーステナイト相との間での変態によりその断面積が変化するため、クランプおよびスエージングを行う一般的な技術の効果が低減する。
【０００８】
従って、ＳＭＡ材料の有利な特性を最大にするとともに、ＳＭＡ材料の制限を最小とすることが非常に望ましい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、形状記憶合金材料（ＳＭＡ）の利用を最適化することである。
【００１０】
本発明のもう１つの目的は、ＳＭＡ材料の柔軟性を劣化させることなく、ＳＭＡ材料から出力される力を増大させることである。
【００１１】
本発明の目的は、さらに、ＳＭＡ材料を利用したシステムが破壊的に損傷する可能性を最小とすることである。
【００１２】
本発明の他の目的は、ＳＭＡ材料の端部形成および取付けの能力を改善することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、大きな力を発生させるために個々のＳＭＡ材料からＳＭＡバンドルを形成することによって、このＳＭＡバンドルが、母相形状および変形形状を有し、変形状態にあるときに加熱されてその母相状態に戻ることによって、大きな力を出力するものとする。ＳＭＡバンドルを構成するＳＭＡワイヤを、ストランド、ロープ、列、もしくは他の形状に構成することができる。
【００１４】
本発明の１つの形態によると、ＳＭＡバンドルを形成する方法には、それぞれ第１端部および第２端部を有する個々のＳＭＡワイヤを複数形成するステップと、前記の複数のＳＭＡワイヤからＳＭＡバンドルを形成するステップと、前記ＳＭＡバンドルに熱処理を行うステップと、が含まれる。形成されたＳＭＡバンドルから発生する全荷重は、個々のＳＭＡワイヤから発生する全荷重より、はるかに大きくなる。
【００１５】
本発明のもう１つの形態によると、ほぼ連続的な動きを発生させるために、ＳＭＡ材料が様々なアクチュエータに利用される。本発明のこの機構は、ＳＭＡアクチュエータと係合する出力手段および戻り部材を備えている。ＳＭＡアクチュエータは、ＳＭＡバンドルであっても剛性ＳＭＡ部材であっても、加熱された場合に変形状態から母相状態へと変態を行うことによって、力を出力する。この力は出力手段を駆動するために利用される。戻り部材によって、ＳＭＡアクチュエータが母相状態から変形状態へと変化する。このように、ＳＭＡアクチュエータを母相形状と変形形状との間で反復的に変化させることによって、このような機構からほぼ連続的な動きが得られる。
【００１６】
本発明の１つの実施例では、戻り部材としてＳＭＡアクチュエータをもう１つ用い、これを第１ＳＭＡアクチュエータと交互に加熱して力を発生させることによって、第１ＳＭＡアクチュエータを変形させる。さらに、ＳＭＡアクチュエータを積極的に冷却して駆動サイクルを加速することも可能である。このような機構の様々な実施例として、ラチェット機構、逆方向移動機構、カム機構、および自立型機構がある。本発明のこれらの機構は、大きな力を発生させるために、能動的に制御されるとともに、多サイクルの用途で利用される。
【００１７】
本発明のＳＭＡバンドルの１つの利点は、このようなＳＭＡバンドルは、通常の疲労状態もしくは過負荷状態で、破壊的に損傷することがないことである。ＳＭＡバンドルは、直径が小さなワイヤを複数備えているため、１本もしくは数本のワイヤが損傷した場合は、視覚的検査、電気的検査もしくは他のタイプの非破壊的検査によって、このような損傷が発見される。従って、１本もしくは数本のワイヤが損傷していることが発見された場合は、修理もしくはＳＭＡバンドル全体の交換を計画的に行うことによって、破壊的な損傷を防止することができる。
【００１８】
ＳＭＡバンドルのもう１つの利点は、柔軟であることである。ＳＭＡバンドルは、損傷するほどに歪むことなく、コーナや他の形状に沿って湾曲し得る。ＳＭＡバンドルが柔軟であることによって、さらに、ＳＭＡ材料のセグメントを多数用いる必要がなくなる。
【００１９】
本発明の主な利点は、柔軟なＳＭＡバンドルを、多大な荷重に耐え得る機械的端部を有するものとして形成することができることである。
【００２０】
本発明の上述した利点および他の利点は、その実施例についての詳細な説明および付随の図面によって、より明らかとなるだろう。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、形状記憶合金（ＳＭＡ）バンドル１０は、複数の単一ワイヤ１２からなるストランド１４を複数有する。各ストランド１４は、中心ワイヤ１６を有する。複数のストランド１４によって、ロープ１８が構成されている。各ロープ１８は、コア２０を備えており、これも複数のワイヤ１２から構成されている。各ワイヤ１２は、第１のワイヤ端部２４および第２のワイヤ端部２６を備えており、これらは、第１バンドル端部２８および第２バンドル端部３０に対応している。
【００２２】
図２〜４を参照すると、本発明のＳＭＡバンドル１０は、その構成が特定のストランド、ロープおよび列のどれであっても、原料である複数のＳＭＡワイヤ１２からなる。ＳＭＡワイヤ１２は、純粋なニッケル−チタン（ＮｉＴｉ）合金、他の様々な元素（例えば銅（Ｃｕ））により改善されたニッケル−チタン（ＮｉＴｉ）合金、もしくは形状記憶効果が得られる他の材料から形成することが可能である。ＳＭＡの特定の組成は、特定用途に必要な特性を最適化するために、変えることが可能である。好適な実施例では、原料のＳＭＡワイヤとして、カリフォルニア州メンローパークのレイチェムコーポレイション社（Raychem Corporation）製のものを用いている。しかし、他の様々な会社も、ＳＭＡ材料を製造している。
【００２３】
一般的なワイヤロープの技術分野で周知のように、ワイヤロープ１８は、様々な形状および断面を有するものとして形成することができる。本発明のＳＭＡロープ１８もまた、図２Ａ〜Ｄに示されているように、様々な断面形状を有するものとして形成することができ、さらに、コア２０を備えるものとすることも備えないものとすることも可能である。本発明の好適な実施例では、ＳＭＡバンドル１０は、図３に示されているように、複数のＳＭＡワイヤ１２が束ねられてストランド１４とされたものから構成されており、各ストランド１４が総数１９本のワイヤ１２を有している。これらの１９本のワイヤ１２は、一本の中心ワイヤ１６が中心に配置され、この周りで６本のワイヤ１２が第２の列を構成し、１２本のワイヤが外側で列をなすように配置されている。加えて、図４に示されているように、ストランド１４が列３２をなしたものとなるようにＳＭＡバンドル１０を形成することも可能である。束ねられた状態での能力を改善するために、ＳＭＡワイヤバンドルの直径を、各ストランド１４および／またはロープ１８の範囲内で変えることが可能である。
【００２４】
ＳＭＡバンドル１０を製造するためには、第１の端部２４および第２の端部２６を有する複数の原料ＳＭＡワイヤによって、ストランド１４を形成し、続いて、ロープ１８を形成する。個々の原料ＳＭＡワイヤ２によってストランド１４を形成し、続いてロープ１８を形成する際、各ストランド１４およびロープ１８の第１端部２８および第２端部３０を把持用ひも(seizing tie）３４によって把持することによって、ロープ形状を維持するとともに、図５に示されているようにほぐれることを防止する。このほぐれる現象は、ワイヤロープの技術分野で周知である。本発明の好適な実施例では、ロープ１８を形成するのに一般的なワイヤロープ技術を用いているが、ＳＭＡロープ１８に潤滑油もしくは油を利用しないようにすることによって、熱処理用オーブンの汚染を減少させる。加えて、一般的な金属製ガイドではなくプラスチック製ガイド（図示せず）を用いることによって、潤滑油を含まないロープの製造プロセス中にＳＭＡ材料が加熱されないようにする。
【００２５】
ＳＭＡバンドル１０を形成した後、張力が加えられてぴんと張った状態でバンドルを配置することによって、次の工程の間にロープ１８の内部の一本または複数本のストランド１４に含まれているワイヤがほぐれたり、相対的に回転したりしないようにしなければならない。好適な実施例では、ＳＭＡバンドル１０は、図６に示されるような熱処理用固定具３６の内部に配置される。熱処理用固定具３６は、側部３８を備えており、これらの側部３８の間には、複数のロッド４０が配置されている。本発明の好適な実施例では、ＳＭＡバンドルの所望の母相形状を設計した後に、熱処理用固定具３６の形状を設計するが、この熱処理固定具３６の形状を別のものとすることも可能であり、もしくは、一般的な熱処理用設備を用いることも可能である。しかし、ＳＭＡバンドルの所望の母相形状のとほぼ同じ形状を有する熱処理固定具３６を用いることによって、ＳＭＡバンドルの機能が向上する。従って、ＳＭＡバンドルの母相形状の所望の湾曲および形状を熱処理固定具３６に取り入れることが好ましい。ＳＭＡバンドル１０を熱処理固定具３６の内部に配置した後、ＳＭＡバンドル１０の端部２８，３０が固定具３６のロッド４０上に固定された状態でＳＭＡバンドル１０に張力を加えることによって、熱処理工程中に、ロープ１８の内部の一本および／または複数本のストランド１４における個々のＳＭＡワイヤ１２が相対的に回転したり、ＳＭＡロープ１８がほぐれないようにする。これによって、ＳＭＡバンドル１０の母相形状を、図７に示されるような、所望の湾曲を有するピンと張ったロープとして規定する。続いて、ＳＭＡ材料に適した熱処理工程によって、ＳＭＡバンドル１０に熱処理を行う。
【００２６】
ＳＭＡバンドル１０の熱処理が完了した後、ＳＭＡバンドル１０の初期クリープを取り除くために、このＳＭＡバンドル１０にサイクル工程を行う。このサイクル工程では、ＳＭＡバンドル１０を、変形させ、続いて加熱するという形で、これらを交互に行うことによって、その母相形状を修復する。ある用途では、このようなサイクル工程は不要であるが、最も好適な実施例では、ＳＭＡバンドル１０にサイクル工程を行うことによって、性能の信頼性を高めることが好ましい。ＳＭＡバンドル１０のサイクル工程は、個々のＳＭＡワイヤもしくはＳＭＡ材料に利用されているものとほぼ同じものである。
【００２７】
図８を参照すると、一般的なワイヤロープと同様に、ＳＭＡバンドル１０の端部２８，３０を、様々なロープ端部４２に形成することが可能となっている。
【００２８】
工程中、ＳＭＡバンドル１０を形成し、熱処理を行い、場合によってはサイクル工程を行った後、ＳＭＡバンドル１０が、ロープもしくは他のタイプのバンドルの本来の形状つまり「母相形状」を有するものとなる。この後、ＳＭＡバンドルを低温のマルテンサイト相状態で変形させることが可能となる。ＳＭＡバンドルがその相変態温度よりも高温に加熱されてオーステナイト相状態になると、ＳＭＡバンドルは、大きな力によって、歪みがない低温状態に戻ろうとする。この力は、有用な仕事を行うのに用いられる。ＳＭＡバンドルの相変態温度は、個々のＳＭＡワイヤの相変態温度とほぼ同じである。ＳＭＡバンドルにより行われる仕事の大きさは、ＳＭＡバンドルを構成している個々のＳＭＡワイヤの特定数に依存する。例えば、個々のＳＭＡワイヤからそれぞれ力Ｘが出力され、かつＳＭＡバンドルが１９本のワイヤを有する場合、ＳＭＡバンドルにより得られる総出力は、約１９Ｘ、つまり個々のＳＭＡワイヤの出力の１９倍である。従って、本発明によると、所望の大きさの力が得られるように、ＳＭＡバンドルの構成を様々なものにすることができる。
【００２９】
マルテンサイト相からオーステナイト相への変態を行うために、代替可能な多数の装置および方法によって、ＳＭＡバンドルを加熱することができる。例えば、ＳＭＡバンドルを、高温の空気、高温の水、伝導熱、対流熱、放射熱、電気的手段などによって、加熱することができる。しかし、本発明の好適な実施例では、ＳＭＡバンドルに電圧を印加することによってＳＭＡ材料を加熱し、これによって、ＳＭＡバンドルのマルテンサイト相からオーステナイト相への変態を行う。相変態温度に到達させるためにＳＭＡバンドルに加えるべき電力の大きさは、様々な要素（例えば、ＳＭＡバンドルが駆動されるべき速度、ＳＭＡバンドルの全寸法および基礎温度）に依存する。加えて、ＳＭＡバンドルを積極的に冷却することによって、オーステナイト相からマルテンサイト相への変態を促進させることもできる。
【００３０】
図９〜１２を参照すると、自立型ＳＭＡ機構５０は、第１固定具（anchor）５２および第２固定具（anchor）５４を備えており、これらの間に、ＳＭＡアクチュエータ５６および戻り部材５８が配置されている。図９、図１０および図１２に示されているように、各固定具５２，５４に、開口部６０を備えることもできる。好適な実施例では、ＳＭＡアクチュエータ５６は、上述したようなＳＭＡバンドル１０である。しかし、ある特定の用途には、ＳＭＡチューブもしくはＳＭＡロッドを用いることも適している。図９および図１１では、戻り部材５８は、ＳＭＡアクチュエータ５６を取り囲んでいる直線状スプリングである。図１０では、固定具５２，５４が、湾曲したＳＭＡ支材５６によって連結されている。図１２では、アクチュエータ５０の戻り部材５８は、スプリングとして機能する加圧されたコンパートメント（compartment）５８であり、これらの端部上で固定具５２，５４がシールされているとともに、ＳＭＡアクチュエータ５６がコンパートメント５８を取り囲んでいる。各機構５０は、さらに、加熱手段（図示せず）を備えている。
【００３１】
運転中、ＳＭＡアクチュエータ５６がマルテンサイト相にある状態では、機構５０のスプリング５８によってＳＭＡアクチュエータ５６が伸びている。ＳＭＡアクチュエータ５６が加熱されてそのオーステナイト相状態に到達すると、ＳＭＡアクチュエータ５６の力が、スプリングの力を上回り、矢印６２によって示されているように固定具５２，５４を引き寄せる。これによって、固定具５２，５４の少なくとも一方が、駆動される。
【００３２】
機構５０の主な利点の１つは、小型のパッケージの内部に、高い能動的力を反復的に発生させることができることである。
【００３３】
図１３〜１６を参照すると、ラチェット機構６６は、出力部材つまり歯車６８を備えており、ＳＭＡアクチュエータ７０が、戻り部材７２と協働してこの歯車６８を駆動するようになっている。出力歯車６８は、軸７４を中心に回転するとともに、複数の歯７６を備えており、各歯７６が歯面７８を有する。図１３に最も明確に示されているように、ＳＭＡアクチュエータ７０は、固定端部８０および駆動端部８２を備えている。駆動端部８２は、駆動面８４を有する係合部材８３を備えており、この駆動面８４が歯車６８の歯７６の歯面７８と係合するようになっている。ＳＭＡアクチュエータ７０の駆動端部８２は、さらに、戻り部材７２の一方の端部８６に連結されている。戻り部材７２の他方の端部８８は固定されている。好適な実施例では、戻り部材７２はスプリングである。しかし、戻り部材７２として、ＳＭＡアクチュエータをもう１つ用いることも可能である。
【００３４】
運転中、ラチェット機構６６のＳＭＡアクチュエータ７０がマルテンサイト相にある状態では、図１３に示されているように、ＳＭＡアクチュエータ７０の駆動端部８２に配置された係合部材８３が、出力歯車６８の歯７６の１つと係合するとともに、スプリング７２により荷重がＳＭＡアクチュエータ７０に加わる。ＳＭＡアクチュエータ７０がその相変態温度より高温に加熱されると、ＳＭＡアクチュエータ７０は収縮してその母相形状になろうとし、この結果、矢印９０に示されるような駆動引張力によって出力歯車６８が回転するとともに、この駆動引張力が図１４に示されるようなスプリングの力を上回る。出力歯車６８が除々に回転し、ＳＭＡアクチュエータの温度が低下すると、図１６に示されるように係合部材８３の駆動面８４が次の歯７６の歯面７８と係合した状態となるまで、スプリング７２によってＳＭＡアクチュエータ７０が引っ張られ、図１５に示されているように変形してその長さが大きくなる。係合部材８３の駆動面８４が次の歯７６と係合した後、この駆動サイクルが繰り返される。
【００３５】
図１７を参照すると、他の実施例のラチェット機構９２が、上述したラチェット機構６６とほぼ同様に動作するようになっている。ラチェット機構９２は、出力部材６８を備えており、この出力部材６８は、係合部材９３を駆動するＳＭＡアクチュエータ７０および戻りスプリング７２によって駆動される。このラチェット機構９２は、ＳＭＡアクチュエータ７０および戻りスプリング７２によって係合部材９３が駆動され、出力部材６８がほぼ連続的に一方向に回転するようになっていることによって、実質的に一方向クラッチとして動作する。
【００３６】
ラチェット機構６６，９２は、ＳＭＡ材料を用いて大きな力を発生させることによって、ほぼ連続的かつ漸進的な動きを提供するものである。本発明の好適な実施例では、ＳＭＡアクチュエータ７０は、上述したようなＳＭＡバンドル１０である。しかしＳＭＡアクチュエータ７０として、チューブやロッドを用いることも可能である。
【００３７】
図１８を参照すると、逆方向移動機構１００は、出力部材つまり歯車１０２を備えており、この歯車１０２は、中心軸１０３を中心に回転するとともに、複数の歯１０４を備えている。各歯１０４は、歯面１０６、先端部１０８およびルート部１１０を有する。逆方向移動機構１００は、さらに、接触点フレーム１１２を備えており、これは、歯車１０２の両側に配置されているとともに、第１接触点１１６および第２接触点１１８に取り付けられている。好適な実施例では、接触点１１６，１１８は、軸受である。各接触点１１６，１１８は、歯車１０２の隣接した歯１０４の歯面１０６と係合する。接触点フレーム１１２は、中心軸１０３で固定されているか、もしくは、いかなる構造（図示せず）に固定することもできる。第１ＳＭＡアクチュエータ１２２および第２ＳＭＡアクチュエータ１２４が、中心軸１０３のそれぞれ反対側に配置されており、かつフレーム１１２に固定されている。ＳＭＡアクチュエータ１２２，１２４は、それぞれ、母相状態および変形状態にある。機構１００は、さらに、付勢部材１２５を備えている。
【００３８】
運転中、逆方向移動機構１００の第１ＳＭＡアクチュエータ１２２および第２ＳＭＡアクチュエータ１２４は、交互に加熱され、場合によっては冷却される。本発明の好適な実施例では、各ＳＭＡアクチュエータ１２２，１２４は、変形状態にあるときに圧縮され、母相状態にあるときに伸びるようになっている。第１ＳＭＡアクチュエータ１２２が加熱されると、これが伸張し、第１軸受１１６を上方に押し上げて対応する歯１０４の先端部１０８に向かわせ、この結果、歯１０４の先端部１０８を通過させる。第１ＳＭＡアクチュエータ１２２が伸びる一方で、第２ＳＭＡアクチュエータ１２４が圧縮し、第２軸受１１８を対応する歯１０４のルート部１１０に向かって押し進め、これによって、矢印１２６に示されているように歯車１０２を回転させる。続いて、第２ＳＭＡアクチュエータ１２４が加熱される。第２ＳＭＡアクチュエータ１２４が加熱されると、これが伸びて第２軸受１１８を押し上げて対応する歯１０４の先端部１０８に向かわせ、この結果、この歯１０４の先端部１０８を通過させる。第２ＳＭＡアクチュエータ１２４が伸びるのに対し、第１ＳＭＡアクチュエータ１２２は収縮して第１軸受１１６を次の歯１０４のルート部１１０に向かって押し進め、これによって、矢印１２６に示されるように、歯車１０２を連続的に回転させる。
【００３９】
２つのＳＭＡアクチュエータ１２２，１２４を備えた機構１００によって、歯車１０２が段階的かつ連続的に動く。加えて、スプリング１２５を逆方向に付勢させることによって、歯車の動きを逆転させることができる。本発明の好適な実施例では、ＳＭＡアクチュエータ１２２，１２４は、上述したようなＳＭＡバンドル１０である。しかし、これらのＳＭＡアクチュエータ１２２および第２ＳＭＡアクチュエータ１２４を、ＳＭＡチューブやＳＭＡロッドとすることもできる。さらに、ＳＭＡアクチュエータが母相形状を有する状態で、伸びるようにすることも、収縮するようにすることも可能である。加えて、本発明の好適な実施例では、ＳＭＡアクチュエータ１２２，１２４を、加熱することによって変形状態から母相状態へと戻す。しかし、ＳＭＡアクチュエータ１２２，１２４を冷却することによって、駆動サイクルを促進させることもできる。
【００４０】
図１９〜２１を参照すると、カム機構１３０が、リンク１３４により固定されたカム１３２と、ＳＭＡアクチュエータ１３６と、を備えており、ＳＭＡアクチュエータ１３６は、カム１３２に取り付けられた第１ＳＭＡアクチュエータ端部１３８と、構造１４１に固定された第２ＳＭＡアクチュエータ端部１４０と、を有する。カム機構１３０は、さらに、カム１３２に固定された戻り部材１４２を備えている。好適な実施例では、戻り部材１４２はスプリングである。しかし、戻り部材１４２として、ＳＭＡアクチュエータをもう１つ用いることもできる。
【００４１】
運転中、カム機構１３０のＳＭＡアクチュエータ１３６は、変形状態および母相状態を有する。ＳＭＡアクチュエータ１３６は、変形状態では図１９に示されているように伸び、母相状態では、図２１に示されているように収縮する。ＳＭＡアクチュエータ１３６が加熱されると、ＳＭＡアクチュエータ１３６が収縮して、その収縮した母相状態になり、図２０および図２１に示されているようにカム１３２を駆動する。スプリング部材１４２によって、ＳＭＡアクチュエータ３６が伸長・変形することによって、図１９に示されているように、カム１３２が元の位置に戻る。代わりの実施例として、スプリング部材１４２に代えて、加熱された場合にカム１３２を元の位置に戻す第２のＳＭＡアクチュエータを用いることも可能である。本発明の好適な実施例では、ＳＭＡアクチュエータ１３６が母相状態で収縮するようになっているが、この逆にすることもできる。カム機構１３０によって、ＳＭＡアクチュエータの仕事出力が著しく増大する。
【００４２】
機構５０，６６，９２，１００，１３０は、能動的に制御されるとともに、多サイクル（multi-cycle）の用途に利用されて大きな力を出力する。これらの機構の１つの利点は、比較的簡単でかつ小型であることである。これらの機構の利点として、さらに、メンテナンスがあまり必要とならないことがある。
【００４３】
本発明のＳＭＡバンドル１０の１つの利点は、通常の疲労状態もしくは過負荷の状態で、破壊的に損傷することがないことである。ＳＭＡバンドルは、直径が小さなワイヤを複数備えているため、１本もしくは数本のワイヤが損傷した場合は、視覚的検査、電気的検査もしくは他のタイプの非破壊的検査によってこのような損傷が発見される。従って、１本もしくは数本のワイヤが損傷していることが発見された場合は、破壊的な損傷が生じないように、修理やＳＭＡバンドル全体の交換を計画的に行うことができる。
【００４４】
ＳＭＡバンドルのもう１つの利点は、柔軟であることである。ＳＭＡバンドル１０は、損傷するほど歪むことなく、コーナや他のどのような形状の周りにおいても湾曲し得る。このようにＳＭＡバンドルが柔軟であることによって、さらに、ＳＭＡ材料のセグメントを多数用いる必要がなくなる。
【００４５】
本発明の主な利点は、さらに、このように柔軟なＳＭＡバンドルに、大きな荷重に耐え得る機械的端部を設けることができることである。
【００４６】
本発明は、その特定の実施例に関して図示および説明が行われたが、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、このような発明に様々な変更を加えることができることは、当業者であれば理解すべきである。例えば、ＳＭＡロープ１８のコア２０もしくはストランド１４の中心ワイヤ１６を、ＳＭＡ材料以外の材料から形成することができる。加えて、特定の実施例では、特定の母相形状および特定の変形形状が記載されたが、これらの母相形状および変形形状を、別のものにすることもきる。さらに、ＳＭＡワイヤの断面を、円形もしくは他の形状とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の１つの実施例による、複数のＳＭＡワイヤによりロープを構成している形状記憶合金（「ＳＭＡ」）バンドルの概略的斜視図。
【図２】本発明の他の実施例による、図１のＳＭＡバンドルの様々な断面形状を示す概略図。
【図３】図２のＳＭＡバンドルのストランドの断面を示す概略図。
【図４】列をなしている、複数の図３のＳＭＡバンドルを部分的に示す概略的斜視図。
【図５】  熱処理工程の前に、複数のＳＭＡワイヤが捻られて図３のストランドとされ、その端部が把持されたものを部分的に示す図。
【図６】図１のＳＭＡバンドルのための熱処理用固定具を示す斜視図。
【図７】熱処理前に、図５の複数のＳＭＡワイヤが捻られてストランドとされたものの一部を示す図。
【図８】図１のＳＭＡバンドルの様々な端部を概略的に示す図。
【図９】  図１のＳＭＡバンドルによって駆動される自立型アクチュエータの概略図。
【図１０】図９の自立型アクチュエータの他の実施例を概略的に示す図。
【図１１】図９の自立型アクチュエータの他の実施例を概略的に示す図。
【図１２】図９の自立型アクチュエータの他の実施例を概略的に示す図。
【図１３】  本発明の１つの実施例による、図１のＳＭＡバンドルによって駆動されるラチェット機構の概略図。
【図１４】図１３のラチェット機構の一部を概略的に示す拡大図であり、係合部材がＳＭＡバンドルに固定されて出力歯車の１つの歯と係合している状態を示している。
【図１５】図１３のラチェット機構の一部を概略的に示す拡大図であり、戻りスプリングによって、係合部材が出力歯車の１つの歯から引き離されて、歯車の次の歯に係合しようとしている状態を示している。
【図１６】図１３のラチェット機構の一部を概略的に示す拡大図であり、戻りスプリングによって、係合部材が、歯車の次の歯に係合している状態を示している。
【図１７】本発明の他の実施例による、図１のＳＭＡバンドルによって駆動されるラチェット機構の概略図。
【図１８】複数の、図１のＳＭＡバンドルにより駆動される逆方向移動機構の概略図。
【図１９】図１のＳＭＡバンドルによって駆動されるカム機構を示す概略図であり、ＳＭＡバンドルが変形形状を有する状態を示している。
【図２０】図１９のカム機構を示す概略図であり、ＳＭＡバンドルが部分的に母相形状へと変態を行った状態を示している。
【図２１】図１９のカム機構を示す概略図であり、ＳＭＡバンドルが完全に母相形状への変態を行った状態を示している。
【符号の説明】
１０…ＳＭＡバンドル
１２…ＳＭＡワイヤ
１４…ストランド
１８…ロープ
３６…熱処理用固定具
５２，５４…第１固定具
５８…戻り部材
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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