(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレーム材の変形を拘束する向き、あるいは助長する向きの荷重を発生するアクチュエータを前記フレーム材に配置して、該フレーム材の変形の抑制、あるいは予め設定された形状への誘導がなされるように作動させるフレームの変形制御装置であって、
前記アクチュエータは、前記フレーム材に入力される外力に応じて加熱手段により熱を加えることにより相変態を生じて所要の荷重を発生し、且つ磁場形成手段により傾きのある磁場を形成することでマルテンサイト相に保持される磁性形状記憶合金からなり、予め動作方向の初期応力を負荷した状態で前記フレーム材に配置され、前記磁場形成手段が、前記アクチュエータの温度に応じて制御されることを特徴とするフレームの変形制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の車体フレーム等に生じる変形を調整するフレームの変形制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｔｉ−Ｎｉ系合金やＴｉ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金といった熱弾性型マルテンサイト変態を生じる形状記憶合金（ＳＭＡ）は、低温にて安定なマルテンサイト相（以下、Ｍ相と呼称する）と、高温にて安定なオーステナイト相（以下、Ａ相と呼称する）との２つの相を有し、これら２つの相間での相変態を温度の変化により生じさせることができ、Ｍ相側で塑性変形を起こした合金を加熱することでＡ相に移行して形状が回復する形状記憶効果を有しており、この形状を回復させる際に大きな応力を発生することから、アクチュエータとして利用することができる。
【０００３】
特に、この形状記憶合金によるアクチュエータは、小型で高出力が得られることから、自動車の車体等を構成するフレーム材の変形状態を調整する用途に適しており、形状に依存することなく所要の強度特性を得ることが可能となる。すなわち、フレーム材の変形を拘束する向き、あるいは助長する向きの荷重を発生するアクチュエータをフレーム材に配置して、外力に応答してアクチュエータを動作させて、フレーム材の変形を抑制したり、あるいはフレーム材を予め設定された形状へ誘導したりしてフレームの変形状態を制御することにより、形状によって定まる破壊特性や振動特性等の各種の強度特性を任意に変化させることが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、熱弾性型マルテンサイト変態を用いた形状記憶合金における形状記憶効果を利用するには、Ｍ相からＡ相への相変態が終了するまで温度を上昇させる必要があり、アクチュエータを高速に動作させるには、相変態温度までの昇温に要するエネルギーを短時間で供給する必要がある。形状記憶合金材に対する加熱方法としては、熱接触法や電流通電法などが考えられるが、いずれも短時間にエネルギーを供給するには限界がある。他方、相変態温度までの温度変化量を小さく設定することで応答性を高めることが可能であるが、相変態温度は形状記憶合金材の組成に左右され、環境温度はアクチュエータの用途によりまちまちであるため、従来の手法では相変態温度までの温度変化量を小さくするのに制約が多く、応答性向上の要望を十分に満足することができないでいた。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、応答性を向上させることが可能なように構成されたフレームの変形制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、フレーム材の変形を拘束する向き、あるいは助長する向きの荷重を発生するアクチュエータをフレーム材に配置して、このフレーム材の変形の抑制、あるいは予め設定された形状への誘導がなされるように作動させるようにしたフレームの変形制御装置において、アクチュエータ（発明の実施の形態中の磁性ＳＭＡアクチュエータ１）が、フレーム材に入力される外力に応じて加熱手段（発明の実施の形態中の電熱体２）により熱を加えることにより相変態を生じて所要の荷重を発生し、且つ磁場形成手段（発明の実施の形態中のコイル３）により傾きのある磁場を形成することでマルテンサイト相に保持される磁性形状記憶合金からなり、予め動作方向の初期応力を負荷した状態でフレーム材に配置され、磁場形成手段が、アクチュエータの温度に応じて制御されるものとした。
【０００７】
これによると、形状記憶合金内の応力の大きさにより相変態温度が変化することから、使用する形状記憶合金の特性に応じて応力の大きさを適切に定めることで相変態温度までの温度の変化量を小さくすることができ、これにより少ない入熱で相変態を起こすことが可能となり、発熱量が少なくて済むと共に応答速度の向上を図ることができる。なお、アクチュエータを構成する形状記憶合金は、相変態による動作方向に応じて予めＭ相側で塑性変形を生じさせておくものとし、例えば伸長方向の応力を発生させる場合には圧縮変形させておく。
【０００８】
さらに、磁場が相変態を起こす臨界点の近傍にくるように温度に応じて磁場の傾きの大きさを調整して、温度の変化量が環境温度の変動にかかわらずに概ね一定に保たれるようにすることにより、相変態温度までの温度の変化量をより一層小さくして発熱量の低減並びに応答速度の向上を図ることができる上に温度変動に左右されない安定した応答性を得ることができる。なお、磁性形状記憶合金としては、Ｆｅ−Ｐｄ系合金を挙げることができる。また、前記アクチュエータの温度は、これを直接計測するものの他、フレーム材等のアクチュエータの近傍の部材の温度、あるいは雰囲気温度から推定するものであっても良い。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明の構成を詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明によるフレーム変形制御装置の一例を示している。このフレーム変形制御装置は、磁性形状記憶合金からなる磁性ＳＭＡアクチュエータ１と、この磁性ＳＭＡアクチュエータ１を加熱する電熱体（加熱手段）２と、磁性ＳＭＡアクチュエータ１に対して傾きのある磁場を形成するコイル（磁場形成手段）３と、温度センサ４により測定された磁性ＳＭＡアクチュエータ１の温度に応じて、給電部５からコイル３に供給される駆動電流の大きさを、また外力検出センサ６からの信号に基づいて、給電部７から電熱体２に供給される駆動電流のオン・オフをそれぞれ制御するコントローラ８とからなっている。
【００１１】
磁性ＳＭＡアクチュエータ１は、予め動作方向の初期応力を負荷した状態でフレーム材に配置される。この初期応力は、フレーム材への配置位置を、構造上、動作方向に応じた所要の応力が負荷される部位に設定することで得ることができる。また、応力負荷部材を別途設けることでも可能である。例えば図２に示す例では、応力負荷部材としての筒状の保持材８で形状記憶合金材９を外囲した態様で形成されており、形状記憶合金材９は、相変態による動作方向に応じて予めＭ相側で塑性変形を生じさせておいた上で、さらに荷重を加えて動作方向の初期応力が生じた状態で、この形状記憶合金材と弾性係数の大きく異なる材料にて形成された保持材８に固着される。
【００１２】
例えば、伸長方向に動作する構成とした場合には、予めＭ相側で圧縮変形させておいた上で、形状記憶合金材９を圧縮状態で保持材８に固着してその変形を拘束し、図３（Ａ）に示すように、形状記憶合金材９に伸長方向の応力を生じさせる。この初期状態にある磁性ＳＭＡアクチュエータ１に対して、図３（Ｂ）に示すように外力Ｆが作用すると、保持材８が座屈して形状記憶合金材９に対する拘束がなくなり、ここで、形状記憶合金材９を加熱すると、相変態温度に到達してＡ相に移行し、形状記憶合金材９に伸長方向の応力が生じて外力Ｆを受け止め、その外力Ｆが発生応力より小さいと磁性ＳＭＡアクチュエータ１は外力に抗して伸長動作する。
【００１３】
特に、ここでは、予めコイル３により形成された磁場中におかれた磁性ＳＭＡアクチュエータ１に対して電熱体２により熱を加えて相変態を生起させ、これにより所要の荷重を発生させる。すなわち、図４に示すように、温度センサ４により磁性ＳＭＡアクチュエータ１の温度を測定し（ＳＴＥＰ１）、この温度に基づいてコイル３への印加電流の大きさを決定し（ＳＴＥＰ２）、磁性ＳＭＡアクチュエータ１に対して所要の強さの磁場が形成される（ＳＴＥＰ３）。そして、外力検出センサ６からの信号に基づいて作動判定を行い（ＳＴＥＰ４）、外力が入力したものと判定されると、電熱体２に電流を印加して（ＳＴＥＰ５）、磁性ＳＭＡアクチュエータ１を加熱し（ＳＴＥＰ６）、これにより相変態を生じて所要の応力が発生する（ＳＴＥＰ７）。
【００１４】
形状記憶合金においては、応力の大きさにより相変態温度が変化することから、使用する形状記憶合金の特性に応じて応力の大きさを適切に定めることで相変態温度までの温度の変化量を小さくすることができ、これにより少ない入熱で相変態を起こすことが可能となり、発熱量が少なくて済むと共に応答速度の向上を図ることができる。すなわち、図５に示すように、所定の温度Ｔ1の状態において、応力をσ1からσ2に低下させると相変態温度までの温度の変化量が小さくなり、応力をσ1からσ3に増大すると相変態温度までの温度の変化量が大きくなる。この場合、使用環境で想定される温度領域内に相変態温度が入らないように、すなわち環境温度の変動でＡ相に移行しないように温度の変化量を適切に設定する必要があり、この点に制約されるものの相変態温度までの温度の変化量を形状記憶合金の特性に左右されずに比較的自由に設定することができる。
【００１５】
この使用環境での温度変動による制約条件は、前記のとおり、初期応力の付加に加えて磁性形状記憶合金に対して磁場を形成することで解決することができる。すなわち、磁性形状記憶合金においては、図６に示すように、傾きをもつ磁場を形成することでＭ相からＡ相へ移行する相変態温度を上昇させることができ、曲線Ｉで示すように、応力σ1の状態で磁場が相変態を起こす臨界点の近傍にくるように温度に応じて磁場の傾きの大きさを調整して、相変態温度までの温度の変化量を小さくすると共にこの温度の変化量が環境温度の変動にかかわらずに概ね一定に保たれるようにする。これにより、少ない入熱で相変態を起こすことができ、発熱量が少なくて済むと共に応答速度の向上を図ることができ、しかも環境温度の変動に左右されない安定した応答性を得ることができる。例えば温度がＴ1からＴ2に低下すると、磁場の傾きの大きさを小さくし、温度がＴ1からＴ3に上昇すると、磁場の傾きの大きさを大きくする。これにより点Ａ、点Ｂ並びに点Ｃのいずれの状態でも、概ね同一の応答性を得ることができる。
【００１６】
なお、磁場形成手段として前記のコイルに代えて永久磁石を用いる構成も可能である。この場合、磁性ＳＭＡアクチュエータに対する永久磁石の離間距離を調整することで磁場の傾きの大きさを制御すれば良い。また、前記の外力検出センサとしては、フレーム材自体あるいはこれに結合された他の部材に生じる歪みを検出する歪みセンサを挙げることができる。また、車体フレームにおいて衝突外力に対応するものとしては、衝突時に車体に発生する加速度を検出する加速度センサが望ましく、これによると、歪みセンサに比較して早期に外力の入力を検出して所要の制御を開始し得る。この他、部材の変形に伴う適所に定めた測点の変位を検出する変位センサも可能である。
【００１７】
次に、磁性ＳＭＡアクチュエータのフレーム材への配置態様について説明する。まず、図７に示す例では、閉断面をなすフレーム２１内に、磁性ＳＭＡアクチュエータ２２とコイル２３とが設けられている。磁性ＳＭＡアクチュエータ２２は、対向する一対の壁２１ａ・２１ｂの内面にそれぞれ複数固着され、この両側の磁性ＳＭＡアクチュエータ群を同時に駆動するコイル２３が、両側の磁性ＳＭＡアクチュエータ２２に挟まれた態様でフレーム２１の中心部に設けられている。磁性ＳＭＡアクチュエータ２２は、その長手方向、すなわち動作方向がフレーム２１の長手方向に沿うように配置され、コイル２３は、その中心線が磁性ＳＭＡアクチュエータ２２の長手方向に直交する向きに配置されている。なお、コイル２３は、フレーム２１から突出したリブやフレーム２１に内挿されたブラケット等の適宜な支持手段で支持される。この構成では、フレーム２１が強磁性体として働くことで磁性ＳＭＡアクチュエータ２２の出力増加を図ることができる。
【００１８】
図８に示す例では、角パイプ状のフレーム３１の四隅に磁性ＳＭＡアクチュエータ３２がそれぞれ設けられ、フレーム３１内にコイル３３が設けられている。磁性ＳＭＡアクチュエータ３２は、フレーム３１の外面のコーナ部分に固着され、その長手方向、すなわち動作方向がフレーム３１の長手方向に沿うように配置されている。コイル３３は、その中心線が磁性ＳＭＡアクチュエータ３２の長手方向に沿う向きに配置されている。ここでは、大きな傾きのある磁場を形成するため、コイル３３の軸線方向長さが磁性ＳＭＡアクチュエータ３２よりも短くなるように設定されている。この構成においても、フレーム３１が強磁性体として働き、磁性ＳＭＡアクチュエータ３２の出力を増大させることができる。
【００１９】
図９に示す例では、角パイプ状のフレーム４１の一方の壁４１ａの一部を切り起こした態様で設けられた一対のブレス４３間に磁性ＳＭＡアクチュエータ４２が挟設され、フレーム４１内にコイル４４が設けられている。この構成では、図１０に示すように、フレーム４１の中心線から側面までの距離をＢ、ブレス長さ、すなわちフレーム４１の中心線からブレス４３の端縁までの距離をＬ、フレーム４１のコーナの径をＲとすると、図１１に示すように、磁性ＳＭＡアクチュエータ４２がフレーム４１に作用し得る力が、ブレス長さＬがＢ−Ｒを越える付近から急激に増大する。これにより、磁性ＳＭＡアクチュエータ４２の出力をフレーム４１に効率良く作用させるには、ブレス４３がコーナにかかるように形成することが望ましく、さらにフレーム４１の側方の壁４１ｂ側に回り込んで側方に張り出す形態としても良い。
【００２０】
また、図１２及び図１３に示すように、フレームの一部をなす部材に、磁性ＳＭＡアクチュエータとその駆動に要する部品とが予め組み込まれたアクチュエータユニットをフレームに組み付けるようにしても良い。図１２では、角パイプ状の一対のフレーム５１・５２間に、アクチュエータユニット５３が介装されるようになっている。アクチュエータユニット５３は、フレーム５１・５２と同様の口字形状断面をなす取付材５４の内部に磁性ＳＭＡアクチュエータ５５を組み込んでなっている。フレーム５１・５２並びに取付材５４の各接合部分にはそれぞれ、外向きに突出した態様でフランジ５６〜５８が形成され、その所要の部位を接合することで一体化される。
【００２１】
図１３では、角パイプ状のフレーム６１に形成された切り欠き部６２にアクチュエータユニット６３が埋め込まれるようになっている。アクチュエータユニット６３は、コ字形状断面をなす取付材６４の内側に磁性ＳＭＡアクチュエータ６５を組み込んでなっている。フレーム６１並びに取付材６４の各接合部分にはそれぞれ、外向きに突出した態様でフランジ６６・６７が形成され、その所要の部位を接合することで一体化される。
【００２２】
なお、前記図７、図８及び図９に示した例では、アクチュエータが配置されるフレーム材に閉断面形状をなすものを示したが、本発明は開断面形状のフレーム材にも同様に適用することができる。また、前記図７、図８、図９、図１２及び図１３に示した例は、適宜に組み合わせた構成としても良い。
【００２３】
【発明の効果】
このように本発明によれば、使用する形状記憶合金の特性に応じて応力の大きさを適切に定めることで相変態温度までの温度の変化量を小さくすることができ、これにより少ない入熱で相変態を起こすことが可能となり、発熱量が少なくて済むと共に応答速度の向上を図ることができる。特に磁性形状記憶合金を用いて磁場の強さの傾きを温度に応じて制御するようにすると、相変態温度までの温度の変化量をより一層小さくして発熱量の低減並びに応答速度の向上を図ることができ、その上に温度変動に左右されない安定した応答性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフレーム変形制御装置の例を示す概略構成図である。
【図２】本発明におけるアクチュエータの例を示す斜視図である。
【図３】Ａ及びＢからなり、外力が入力される前後の応力状態を示す断面図である。
【図４】図１に示した制御装置のフロー図である。
【図５】図１に示した制御装置における作動原理を説明するグラフである。
【図６】同じく図１に示した制御装置における作動原理を説明するグラフである。
【図７】本発明におけるアクチュエータのフレーム材への配置態様の例を示す斜視図である。
【図８】本発明におけるアクチュエータのフレーム材への配置態様の例を示す斜視図である。
【図９】本発明におけるアクチュエータのフレーム材への配置態様の例を示す斜視図である。
【図１０】図９に示したフレーム変形制御装置の要部概念図である。
【図１１】図１０に基づいて求められたフレームへの作用力を示すグラフである。
【図１２】本発明におけるアクチュエータのフレーム材への配置態様の例を示す斜視図である。
【図１３】本発明におけるアクチュエータのフレーム材への配置態様の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  アクチュエータ
２  電熱体（加熱手段）
３  コイル（磁場形成手段）
４  温度センサ
６  外力検出センサ
８  コントローラ
【図１】
0003862467.tif 000002
【図２】
0003862467.tif 000003
【図３】
0003862467.tif 000004
【図４】
0003862467.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003862467.tif 000009
【図９】
0003862467.tif 000010
【図１０】
0003862467.tif 000011
【図１１】
0003862467.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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