(57)【要約】  アクチュエータは、非変形状態に対応する第１の長さと長手方向の変形の状態に対応する第２の長さとの間で可変である長さを有する形状記憶材料のストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）を備える。ストランドは、所定の温度に加熱されたときに非変形状態に戻るように構成される。ストランドは、固定端部と、ＳＭＭのストランドの可変の長さが変わったときに第１及び第２の位置の間で移動するように配置された移動端部とを備える。アクチュエータは更に、ストランドを加熱するためストランドの周りにコイル状にされた加熱線を備え、該コイル状にされた加熱線は、円形螺旋を形成し、該円形螺旋の均一な勾配は、ストランドがその長さを変えることによって引き起こされた円形螺旋の弧長の任意の実質的な変化を回避するように選択される。【選択図】      図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状記憶材料（ＳＭＭ）で作られた少なくとも１つのストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）であって、前記ストランドが、前記ＳＭＭのストランドの収縮状態に対応する第１の長さと前記ＳＭＭのストランドの伸長状態に対応する第２の長さとの間で可変の長さを有し、前記収縮状態と前記伸長状態の一方が非変形状態であり、前記収縮状態と前記伸長状態の他方が、前記非変形状態からの前記ＳＭＭのストランドの所定の長手方向の変形を伴い、前記ＳＭＭのストランドは、所定の温度に加熱されたときに所定の長手方向の変形を伴う前記状態から前記非変形状態に戻るように構成され、前記ＳＭＭのストランドは、支持構造体の固定機械的接続部に装着された固定端部と、第１及び第２の位置の間で移動可能な可動機械的接続部（１４）に装着されて前記ＳＭＭのストランドの前記可変の長さが前記第１の長さ及び前記第２の長さの一方から他方に変わるときに前記可動機械的接続部が前記第１及び第２の位置の一方から他方に移動することができるようにする移動端部と、を含む、少なくとも１つのストランドと、
前記ストランドの周りにコイル状にされた少なくとも１つの加熱線（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ）を含む、前記ストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）を加熱する電気手段（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、２４ａ、２４ｂ、２６）と、
を備えたアクチュエータ（１００）において、
前記コイル状にされた加熱線（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ）が円形螺旋を形成し、前記円形螺旋のピッチは、前記ストランドの長さが前記第１の長さから前記第２の長さに変わるときに前記ストランドの長さと共に増加するように構成され、前記ストランドの長さが前記第２の長さから前記第１の長さに変わるときに前記ストランドの長さと共に減少するように構成され、前記円形螺旋の均一な勾配は、前記ＳＭＭのストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）が前記第１の長さから前記第２の長さに伸長するか、又は前記第２の長さから前記第１の長さに収縮することによって引き起こされる前記円形螺旋の弧長の任意の実質的な変化を回避するように選択される、
ことを特徴とする、アクチュエータ（１００）。
【請求項２】
前記円形螺旋の均一な勾配は、前記ＳＭＭのストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）が前記第１の長さから前記第２の長さに伸長するか、又は前記第２の長さから前記第１の長さに収縮することによって引き起こされる前記円形螺旋の弧長の任意の実質的な変化が０．２％を超えないほどになるように選択される、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記ＳＭＭのストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）の長さが前記第１の長さであるときに、前記円形螺旋の均一な勾配ｂ／ａの大きさは、以下の区間：
【数１】
2020532672.tif 000025
に含まれ、式中、２％≦ε≦４％、及び（δ＜ε＋１）である、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記ＳＭＭのストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）の長さが前記第１の長さであるときに、前記円形螺旋の均一な勾配ｂ／ａの大きさは、以下の区間：
【数２】
2020532672.tif 000026
に含まれ、式中、５％≦ε≦７％、及び（δ＜ε＋１）である、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記ＳＭＭのストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）の長さが前記第１の長さであるときに、前記円形螺旋の均一な勾配ｂ／ａの大きさは、以下の区間：
【数３】
2020532672.tif 000027
に含まれ、式中、８％≦ε≦１０％、及び（δ＜ε＋１）である、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記円形螺旋の均一な勾配は、前記ＳＭＭのストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）の長さが前記第１の長さであるときに０．６２〜０．７６（好ましくは０．６２５〜０．７３）である、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記ストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）が、導電性形状記憶合金（ＳＭＡ）で作られ、前記加熱線（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ）の第１の端部（２４ｂ）は、前記移動端部近傍で前記ストランドに電気的に接続され、前記ストランドの前記固定端部は、電力供給装置の極の一方に接続され、前記加熱線の前記第２の端部（２４ａ）は、前記電力供給装置の他方の極に接続される、請求項１から６の何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記電気加熱手段（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、２４ａ、２４ｂ、２６）は、並列に接続されて同じ軸線を有する合同の円形螺旋のセットを形成する複数の加熱線（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ）を含む、請求項１から７の何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記アクチュエータが、並列に配置された複数のＳＭＭのストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）を備え、前記各ストランドが、前記固定機械的接続部（１２）に装着された固定端部と、前記可動機械的接続部（１４）に装着された移動端部とを含む、請求項１から８の何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記アクチュエータが、前記第１及び第２の位置間の前記可動機械的接続部（１４）の前後の移動を２つの異なる安定位置間の機械出力接続部（１４０）の一方向又は他方向の変位に変換するように配置された双安定機構を備える、請求項１から９の何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記ストランド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ）を加熱する前記電気手段（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、２４ａ、２４ｂ、２６）は、前記ＳＭＭのストランドが所定の長手方向の変形を伴う状態から前記非変形状態に戻ると、前記電気手段をオフにするように配置されたスイッチ（１４２）を含む、請求項１から１０の何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記アクチュエータは、前記ＳＭＭのストランドが前記非変形状態からその所定の長手方向の変形に到達したときに前記可動機械的接続部（１４）のバンパー要素が当接するように配置された機械的ストッパ（１５２）を備える、請求項１から１１の何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
断熱材の第１の部片（２８ａ）が、前記ＳＭＭのストランド（１０）の前記固定端部と前記固定機械的接続部（１２）との間に差し込まれ、断熱材の第２の部片（２８ｂ）が、前記移動端部と前記可動機械的接続部（１４）との間に差し込まれる、請求項１から１２の何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記ＳＭＭは、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉである、請求項１から１３の何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
前記ＳＭＡストランドは、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉの単結晶で作られる、請求項１４に記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
前記ＳＭＭは、Ｎｉ−Ｔｉである、請求項１から１３の何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項１７】
前記加熱線は、Ｎｉ−Ｃｒで作られる、請求項１から１６の何れか一項に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状記憶材料（ＳＭＭ）で作られたストランドであって、該ストランドが、ＳＭＭのストランドの非変形状態に対応する第１の長さと非変形状態から所定の長手方向の変形を伴う状態に対応する第２の長さとの間で可変である長さを有する、ストランドを備えたアクチュエータに関し、ＳＭＭストランドは、所定の温度に加熱されたときに所定の長手方向の変形を伴う状態から非変形状態に戻るように構成され、ＳＭＭストランドは、支持構造体の固定機械的接続部に装着された固定端部と、第１及び第２の位置の間で移動可能な可動機械的接続部に装着され、ＳＭＭストランドの可変の長さが第１の長さ及び第２の長さの一方から他方に変わるときに可動機械的接続部が第１及び第２の位置の一方から他方に移動することができるようにする移動端部と、を含み、上記アクチュエータは、ストランドの周りにコイル状にされた少なくとも１つの加熱電線を含む、ストランドを加熱する電気手段を更に備える。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータは、多種多様な用途で必要とされる。特に、宇宙船の設計者は、高度に信頼性が高く、軽量且つ効率的な単一の又は多重使用のアクチュエータを探し求めている。
【０００３】
一般的に形状記憶材料（ＳＭＭ）、特に形状記憶合金（ＳＭＡ）は、比較的低い温度で擬塑性変形させることができる材料であり、何らかのより高い温度に晒されると、元の形状に戻ることになる。比較的幅広い種類の材料が形状記憶効果を示すことが知られているが、大きな歪み量を回復させることができるもの、又は形状が変わると大きな力を発生するものだけが、アクチュエータでは一般的に使用されている。
【０００４】
新しいＳＭＡデバイス、特にアクチュエータの開発が盛んになっている。材料ＣＴＥ（熱膨張率）に基づいて動作するバイメタルアクチュエータ又はデバイスに関する事例とは異なり、ＳＭＡアクチュエータでは、１つの状態からもう１つの状態への回復は、狭い温度範囲（ほぼ１０Ｃ）にわたって発生する。これは、１００℃に達したときの水の沸騰に類似している（すなわち、材料が臨界温度に達したときに比較的突然に起こる「状態変化」がある）。更に、ＳＭＡ技術を使用することは、標準技術を使用した同じシステムと比較すると、システムの複雑さを低減するのに有効な方法とすることができる。実際に、ＳＭＡの利点は、システムにおいて同じ構成要素が構造的な役割と能動的な役割の両方を果たすことができる点である。加えて、一部の既知のＳＭＡアクチュエータは、緩やかな動作で（従って、衝撃を回避しながら）複数回起動させることができ、極めて信頼性が高い。
【０００５】
最も一般的に使用されるＳＭＡは、「ニチノール」合金としても知られている、ニッケルチタン（Ｎｉ−Ｔｉ）合金である。ニチノール合金の１つの顕著な特徴は、遷移温度が比較的低いこと（典型的には約７０℃）である。もう１つの顕著な特徴は、ニチノールが、約７０〜１００μΩ・ｃｍの抵抗率の電気抵抗があることである。抵抗率が比較的高いという利点は、単に電流を通すことによって、ニチノールの部片の温度を引き上げることが可能になる点である。実際に、物体の電気抵抗は、物体が作られている材料の抵抗率に正比例し、物体の断面積に反比例する。従って、電線形のＮｉ−Ｔｉ片の場合、電気抵抗が極めて大きく、適度に強い電流が、ニチノール電線の温度を形状記憶遷移温度よりも上回って上昇させるのに十分に大きくすることができることは、理解されるであろう。対照的に、ニチノール部片が電線形ではないとき、又は電線形であるが大きな断面積を有する場合でも、チノール部片の温度を引き上げるのに必要な電流の強度は、宇宙船の搭載される電力インフラの能力を超えることが多い。これらの状況においては、他の加熱法が必要とされる。
【０００６】
代替の加熱法が知られている。例えば、特許文献の米国特許第５，３１２，１５２号明細書では、１５４．９ｍｍの非変形（記憶）長を有するＮｉ−Ｔｉ  ＳＭＡ管の周りに構築されたアクチュエータが開示されている。この管状要素は、最初に、擬塑性的に約１０ｍｍ伸長し、その後、遷移温度にまで加熱されると記憶長に収縮して戻ることができる。ＳＭＡ管は、外径８．１３ｍｍ及び内径７．１１ｍｍを有する。従って、有効断面積はほぼ１２．２ｍｍ2である。このような場合、ＳＭＡ要素に電流を流すことによってＳＭＡ要素の遷移温度を上回って加熱することは、電流に必要とされる最小強度の点で過剰要求である可能性がある。
【０００７】
ＳＭＡ管の温度を上昇させるために、上述の特許文献では、２つの可撓性サーモフォイル電気抵抗加熱器を管の円筒状外壁に当接して配置することを教示している。この従来技術の文献では更に、熱収縮性テープのオーバーラップを使用して、２つの加熱器を所定の場所に保持することを教示している。上記従来技術文献の図１は、ＳＭＡ管が変形（すなわち伸長）状態にあるアクチュエータを示している。図面から判断して、２つの組み付けられたサーモフォイル加熱器によって形成されたスリーブは、ＳＭＡ管の円筒状中心分の７５〜８０％を覆うのに十分に長い。管は、遷移温度まで加熱されると、伸長前の形状を回復する。プロセスにおいて、管の長さは、約６．５％低減される。サーモフォイルと管の表面との間に接着剤がないので、管の一部は、サーモフォイルスリーブの内側で長手方向に滑動することができ、その結果、長さの変化に対応する。
【０００８】
このような配置は、サーモフォイルのスリーブが円筒体の周りに緊密に固定されていない場合にのみ可能であると理解されるであろう。この従来技術の構成に関する１つの問題は、サーモフォイルのスリーブは、ＳＭＡ管の周りに緩くフィットする必要があるので、サーモフォイル加熱器とＳＭＡとの直接的な熱接触が制限されることである。熱接触が制限されることは、伝導性熱伝達が制限され、従って、ＳＭＡ管の加熱が緩慢になることを意味する。この問題を回避する１つの方法は、弾性変形可能なサーモフォイル加熱器を使用することである。このサーモフォイルは、弾性であるので、原理上はＳＭＡの任意変化に適合することができる。従って、サーモフォイルのスリーブは、ＳＭＡ管の周りに緊密にフィットされて、ＳＭＡ管に取り付けられるように構成することができる。この解決策に関する１つの欠点は、実際の動作条件において弾性変形可能なサーモフォイルの製品寿命が比較的制限されることである。
【０００９】
上述したように、ニチノール合金の遷移温度は、約７０°Ｃほどの低さであることが多い。一方では、この特徴によって、アクチュエータのＳＭＡ構成要素を遷移温度より高く加熱することがかなり容易になる。他方では、宇宙船に搭載時の特定の動作条件において、低い遷移温度は、ＳＭＡ構成要素の温度を遷移温度未満に保つことが困難になる可能性があり、また、加熱後にＳＭＡ構成要素を冷却することが困難になる可能性がある。実際に、対流冷却は真空中では起こらない。更に、能動冷却は通常、利用可能な電力に制限があることに起因して、実際的な代替策ではない。
【００１０】
直前で検討したニッケルチタン（Ｎｉ−Ｔｉ）合金とは別に、宇宙用途で検討されることが最も多いＳＭＡは、銅系合金、例えば、特にＣｕ−Ａｌ−ＮｉのようなＣｕ−Ａｌ系合金である。これらの銅系合金の遷移温度は、繰り返しで周囲温度〜２００℃の範囲、及び１ショットモードでも最大２５０℃までにわたることができる。Ｎｉ−チタン合金とは対照的に、Ｃｕ−Ａｌ−Ｘ合金は、良好な導電体である（例えば、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉの抵抗率は、およそ１１〜１３μΩ・ｃｍであると報告されている）。低い抵抗率の帰結として、単に適度に強い電流をＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金片に流しても、通常は、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金の比較的小さな電線形状の部片の場合でも、温度を遷移温度より高く上昇させる仕事は行わない。他方、より一般的なＮｉ−チタン合金の代わりにＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金をＳＭＡとして使用する利点は、ＳＭＡの温度を遷移温度未満に維持ことがはるかに容易になることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５，３１２，１５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明の目的は、効率的で且つ作動寿命が長いことを享受する加熱手段を有するＳＭＡ系アクチュエータを提供することにより、従来技術のアクチュエータの上述の問題を解決することである。本発明は、添付の請求項１による形状記憶ベースのアクチュエータを提供することによってこの目的及びその他を達成する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、ストランドの周りにコイル状にされた加熱線は、円形螺旋を形成する。円形螺旋の１つの定義は、シリンダ上で、一定の斜角でシリンダの横断面を横切る点の回転によって追跡することができる曲線である（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｍｅｒｒｉａｍ−ｗｅｂｓｔｅｒ．ｃｏｍ／ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ）。従って、本発明によれば、コイル状にされた加熱線は、シリンダ上で、一定の斜角でその横断面を横切る点の回転によって追跡された曲線上で重なり合うことができる曲線を辿ることは、理解されるであろう。上記一定の斜角はまた、円形螺旋の任意の点の接線と螺旋の軸線に垂直な平面との間で測定された角度である。一般に、螺旋は、斜角が一定である、すなわち換言すると、特定の螺旋の任意の点で同じであることである（すなわち、斜角は均一である）特性を有する。
【００１４】
数学では、円形螺旋は、３次元空間の曲線である。デカルト座標における以下のパラメータ表示は、半径ａ及び斜面ｂ／ａ
【数１】
2020532672.tif 000003
の円形螺旋を定義する。
パラメータｔがｔ＝０からｔ＝２πになると、パラメータ表示は完全な螺旋巻きに沿って進むことが理解されるであろう。更に、１つの完全な螺旋巻きの高さ（すなわち、螺旋の「ピッチ」）は、２πｂに等しく、同じ完全な巻きの「弧長」は、
【数２】
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に等しい。最後に、αを螺旋の斜角とすると、斜面ｂ／ａは、
【数３】
2020532672.tif 000005
及び
【数４】
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に等しい。
【００１５】
添付の請求項１によれば、「第１の長さ」は、ＳＭＭストランドの収縮状態に対応し、「第２の長さ」は、ストランドの伸長状態に対応する。従って、第１の長さは、第２の長さよりも小さいと理解されたい。実際に、伸長及び収縮は、線形歪みの類型であって、特許請求の範囲における２つの表現「収縮した」及び「伸長した」は、両方とも、長手方向（すなわち軸方向）の収縮及び伸長を指すと理解されたい。
【００１６】
発明者らは、材料ＣＴＥ（熱膨張率）に基づいて動作するアクチュエータと比較したときに、ＳＭＭアクチュエータの幾つかの特異性を観測した。具体的には、これらの特異性の１つは、一般的には見落されるが、形状記憶材料の状態変化に関連した軸方向歪みが、ほぼ必ず関連の体積変化率よりも大きいことである。この特異性の帰結は、ＳＭＭで作製されたストランドは、通常、状態変化の際に反対の類型の横方向歪み及び軸方向歪みを示すことになる。換言すると、ＳＭＭのストランドが、より短くなるように変形するとより幅広になり、逆に、ストランドがより長くなるとより薄肉になる。
【００１７】
加熱線が円形螺旋を形成するようにＳＭＭのストランドの周りにコイル状にされる場合、反対の類型の横方向歪み及び軸方向歪みの共存は、有用な意味合いを有することができる。実際に、例えば、ストランドが第１の長さから第２の長さに伸長したときには、一方では薄肉になり、ストランドの胴回り（すなわち周囲）の結果として生じる減少は、加熱線の巻きを弛める一因となる。他方、ストランドは、これと同時に長くなり、螺旋のピッチ（すなわち、高さ）の結果として生じる増加は、加熱線の巻きの締め付けの一因となる。上記に鑑みて、発明者らは、螺旋の均一な勾配が適切に選ばれた場合、螺旋の弧長に作用する軸方向歪み及び横方向歪みの影響は相殺することができ、歪み及びひいては応力への加熱線の有意な暴露が回避されることを確認するよう対処した。
【００１８】
本発明によれば、均一な斜角は、ＳＭＭストランドが第１の長さから第２の長さに伸長すること、又は第２の長さから第１の長さに収縮することによって引き起こされる円形螺旋の弧長の実質的な変化を回避するように選択される。この特徴によってもたらされる利点は、加熱線が、形状記憶材料（ＳＭＭ）のストランドの長さの変化に関わらず、有意な応力を受けないことである。この有意な応力が存在しないことによって、加熱システムの耐用期間がかなり向上する。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、ＳＭＭストランドの可変の長さが第１の長さに等しいときに、円形螺旋の均一な勾配の大きさは、０．６２〜０．７６の間で含まれる。
【００２０】
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照しがら単に非限定的な実施例として以下の説明を読むと明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明の第１の特定の実施形態によるＳＭＭアクチュエータの内部側からの斜視図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＳＭＭアクチュエータを長手方向断面で示している。
【図２】ＳＭＡロッド及び並列に接続されて４重螺旋を形成するようにロッドの周りにコイル状にされた４つの加熱電線を示す斜視図である。
【図３Ａ】１つの形式の軸方向の歪み及び反対の類型の横方向の歪みの共役効果によってどのようにして螺旋の弧長が一定のままであるかを示す図である。
【図３Ｂ】１つの形式の軸方向の歪み及び反対の類型の横方向の歪みの共役効果によってどのようにして螺旋の弧長が一定のままであるかを示す図である。
【図４Ａ】加熱電線が本発明の第２の特定の実施形態により電力供給装置にどのように接続することができるかを示す概略図である。
【図４Ｂ】加熱電線が本発明の第２の特定の実施形態により電力供給装置にどのように接続することができるかを示す概略図である。
【図５Ａ】複数のＳＭＡロッドの固定端部と本発明の第３の特定の実施形態による支持構造体との間の機械的及び電気的接続部を示す部分斜視図である。
【図５Ｂ】プリント回路を示すために熱電気断熱体の最上層が取り外された図５Ａの機械的及び電気的接続部を示す斜視図である。
【図６Ａ】本発明の第４の特定の実施形態によるＳＭＭアクチュエータの双安定機構のプッシャ管の前端部の斜視図である。
【図６Ｂ】第４の特定の実施形態によるＳＭＭアクチュエータの双安定機構のフレームキャップの斜視図である。
【図６Ｃ】第４の特定の実施形態によるＳＭＭアクチュエータの双安定機構のロータの斜視図である。
【図７Ａ】周期動作中に本発明の第４の特定の実施形態によるアクチュエータの一部である双安定機構によって連続的に取られる８つの構成の１つを示す。
【図７Ｂ】周期動作中に本発明の第４の特定の実施形態によるアクチュエータの一部である双安定機構によって連続的に取られる８つの構成の１つを示す。
【図７Ｃ】周期動作中に本発明の第４の特定の実施形態によるアクチュエータの一部である双安定機構によって連続的に取られる８つの構成の１つを示す。
【図７Ｄ】周期動作中に本発明の第４の特定の実施形態によるアクチュエータの一部である双安定機構によって連続的に取られる８つの構成の１つを示す。
【図７Ｅ】周期動作中に本発明の第４の特定の実施形態によるアクチュエータの一部である双安定機構によって連続的に取られる８つの構成の１つを示す。
【図７Ｆ】周期動作中に本発明の第４の特定の実施形態によるアクチュエータの一部である双安定機構によって連続的に取られる８つの構成の１つを示す。
【図７Ｇ】周期動作中に本発明の第４の特定の実施形態によるアクチュエータの一部である双安定機構によって連続的に取られる８つの構成の１つを示す。
【図７Ｈ】周期動作中に本発明の第４の特定の実施形態によるアクチュエータの一部である双安定機構によって連続的に取られる８つの構成の１つを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の例示的な実施形態によるアクチュエータの例図である。本発明によれば、アクチュエータは、非変形状態からの所定の変形を有し、所定の温度に加熱されたときに非変形状態に戻る形状記憶材料（ＳＭＭ）の少なくとも１つのストランドを含む。例示された実施例において、（全体的に符号１００で参照される）アクチュエータは、ＳＭＭの８つのストランドを実際に含み、各ストランドは、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ形状記憶合金（ＳＭＡ）の単結晶で作られた１ｍｍ径の円筒ロッドにある。本明細書において、ＳＭＡロッドは、全体的に符号１０で参照され、個々のロッドは、添付文字を使用することによって区別されている。従って、図１Ａにて見える６つの個々のロッドは、それぞれ、参照符号１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ及び１０ｆとされる。アクチュエータの８つのＳＭＡロッドは、並列に配置され、（それぞれ参照符号１２及び１４とされた）２つのリング状の機械的接続部によって両端で所定位置に保持される。ロッドの端部は、２つのピッチ円を定義するように２つのリング状接続部に装着され、これに沿ってロッドの端部が規則的に離間されている。
【００２３】
２つの機械的接続部のうちの第１の機械的接続部１２は、アクチュエータの支持フレームに固定される。従って、第１の機械的接続部１２に装着されているロッド１０の端部は、ロッドの固定端部と呼ばれる。反対の端部では、第２の機械的接続部１４は、移動可能であり、ＳＭＡロッドによって駆動されるように配置された機構の一部である（上記機構について更に説明する）。可動機械的接続部１４に装着されたロッドの端部は、ロッドの移動端部と呼ぶ。
【００２４】
第２の機械的接続部１４は、参照符号２０とされた円筒状プッシャ管を搭載している。プッシャ管は、可動機械的接続部１４に剛体固定され、ＳＭＡロッド１０と並列に固定機械的接続部１２に向けて伸長する。プッシャ管２０の長手方向軸線は、２つのピッチ円の中心と整合されている。形状記憶合金ロッド１０は、非変形状態を回復したときに、プッシャ管２０を作動させるように配置されている。本実施例において、ロッドは、変形状態よりも非変形状態の方が短い。ＳＭＡの温度形状遷移は、プッシャ管２０を、アクチュエータハウジング１１０の前端部に向けて軸方向に移動させる（前端部は、図１Ａ及び１Ｂでは右側にある）。プッシャ管２０を作動させるために、ＳＭＡロッドが１回目に使用されると、２回目に使用することができる前に、所定の変形を回復するように歪みを受ける必要がある。この動作を「リセット」と呼ぶ。リセットに必要とされる応力は、リセットバネ３８によって提供される。図１Ｂをより詳しく参照すると、リセットバネは、プッシャ管２０を取り囲み、ハブ形フレームキャップ４２によって提供される固定環状当接によって前端部で所定位置に保持され且つ後端部にて機械的接続部１４に当接するコイルバネであることが分かる。フレームキャップ４２は、プッシャ管２０が通過できる軸方向の開口部を含む。
【００２５】
本発明によれば、アクチュエータ１００は、上記の少なくとも１つのストランドを加熱する電気手段を更に備える。電気手段は、円形螺旋を形成するようにストランドの周りにコイル状にされる少なくとも１つの加熱線を備える。例示された実施例において、４つの加熱線１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、１６ｄ（図２）は、ＳＭＡロッド１０の各々の周りにコイル状にされる。図２は、アクチュエータ１００の（参照符号１０とされた）ＳＭＡロッドの１つを示す斜視図である。例示する実施形態によれば、４つの加熱線は、並列に接続され、同じ軸線を有する合同な円形螺旋のセットを形成するように配置される。単一の加熱線を使用する代わりに、並列に接続された４つの加熱線の使用は、加熱手段の冗長性を向上させることを目的としている。実際に、単一の加熱線のみが各ＳＭＡロッド１０の周りにコイル状にされた場合、加熱線が破損すると、ＳＭＡロッドが使用不能となる。対照的に、例示するアクチュエータ１００は、幾つかの加熱線の破損を耐え抜くことができる。本実施例において、ＳＭＡロッドの周りにコイル状にされた加熱線１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、高抵抗ＮｉＣｒで作られている。
【００２６】
ロッド１０のＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金は高い導電率を有するので、加熱線１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄとＳＭＡロッドとの間を絶縁することが必要である。従って、本実施例において、加熱線は、ポリイミド薄膜によって、互いから及びＳＭＡロッドから絶縁されている。ポリイミド薄膜はまた、４つの加熱線を加熱リボン１６に統合する役割を果たす。好ましい実施形態によれば、加熱リボンとＳＭＡロッドとの熱的及び機械的接触を向上させるために、熱伝導性電気絶縁エラストマが更に使用されている（エラストマは、図４Ａ及び４Ｂに示されており、参照符号１８とされる）。図２を再び参照すると、例示するＳＭＡロッド１０は、ロッドの各端部を２つの機械的接続部１２、１４の一方に装着するために設けられた末端部２２が取り付けられていることが分かる。図示するように、末端部２２は、幅広の頭部及びＳＭＡロッドの一方端が挿入される小径の円筒突出部を有する小さいハブの形状とすることができる。
【００２７】
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明によるアクチュエータのＳＭＭストランドの周りにコイル状にされた加熱線によって形成された円形螺旋の１つの巻きを示す、２つのペアの概略図であり、各ペアの第２の概略図は、接平面上に展開された螺旋を描いている。このように、一巻きの円形螺旋を螺旋の接平面上に展開すると、直線（一定の又は均一な角度）が得られる。
【００２８】
本発明によれば、加熱線がコイル状にされているＳＭＭストランドの長さは、収縮状態に対応する第１の長さと、伸長状態に対応する第２の長さとの間で可変である。更に、ＳＭＭストランドの長手方向の伸長により、螺旋のピッチが増大し、他方、長手方向の収縮により、螺旋のピッチが減少することになる点は理解されるであろう。図３Ａは、ＳＭＭストランドが収縮状態にあるときの一巻きの円形螺旋を示し、図３Ｂは、ＳＭＭストランドが伸長状態にあるときの同じ一巻きの円形螺旋を示す。
【００２９】
上述したように、コイル状にされた加熱線によって形成された円形螺旋は、デカルト座標において以下のパラメータ表示によって数学的に記述することができ、
【数５】
2020532672.tif 000007
式中、ａは円形螺旋の半径、ｂ／ａは均一な勾配である。
【００３０】
１つの完全な螺旋巻きの高さ（すなわち螺旋の「ピッチ」）は、２πｂに等しく、同じ完全な巻きの「弧長」は、
【数６】
2020532672.tif 000008
に等しい。
【００３１】
発明者らは、ＳＭＭストランド変形後の螺旋の弧長が変形前の螺旋弧長に等しいよう横方向歪み及び軸方向歪みが相殺されるように、螺旋の均一な斜角又は同等に螺旋の均一な勾配を見出す試みにアイデアを得た。以下の式により、ＳＭＭストランドの伸長及び体積変化の両方の関数として弧長の変化がない平衡勾配の値が得られる。
【数７】
2020532672.tif 000009
式中、εはＳＭＭストランドの伸長歪みであり、δは体積変化率
【数８】
2020532672.tif 000010
である。
平衡勾配の数式の導出は、付属書にて与えられる。更に、上記で定義された平衡勾配は、δ＜ε＋１である場合にのみ、換言すると、体積変化率が対応する軸方向の収縮又は伸長率よりも小さい場合にのみ存在する点に留意されたい。
【００３２】
図３Ａ及び図３Ｂを再度参照すると、図３Ａに示す螺旋の半径は、図３Ｂに示す螺旋の半径よりも実質的に大きいことが分かるであろう。換言すると、ストランドが作製されたＳＭＭは、反対の類型の横方向歪み及び軸方向歪みを示すＳＭＭである。ここで、図３Ａ及び図３Ｂを同時に参照すると、１つの類型の軸方向歪み及び反対の類型の横方向歪みの共役効果がどのようにして螺旋の弧長が一定のままであるようになることができるのかを直観的に把握することができる。
【００３３】
本発明によれば、ストランドが作製されるＳＭＭは、状態変化の際には反対の類型の横方向歪み及び軸方向歪みを示すＳＭＭであり、換言すると、体積変化率は、対応する軸方向の収縮又は伸長率（δ＜ε＋１）よりも小さい。ＳＭＭ内の体積歪みの大きさは、通常、軸方向歪みの大きさをかなり下回るので、この限界は問題ではない。例えば、ニチノールの場合、体積変形歪みは、ほぼ０．１６％であることが報告されており、一方、軸変形歪みは、８．５％ほどとすることができる。しかしながら、「形状記憶」は、所定の温度にまで加熱されたときに非変形形状に戻るＳＭＭの特性を指すことを留意すべきである。ＳＭＭの形状遷移は熱転移であるので、非変形状態へのＳＭＭの戻りには、昇温が伴っている。通常の熱膨張も起こり、体積変化の実際の量に影響を及ぼすことになる。
【００３４】
本発明の上記の実施形態によれば、ＳＭＭは、Ｃｕ−Ａｌ系ＳＭＡ（特にＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ）にある。この特定の事例では、体積変形歪みは無視することができ、以下の式によって平衡勾配の値が得られる。
【数９】
2020532672.tif 000011
特に、上記の式はまた、ＳＭＭストランドがＮｉ−Ｔｉで作られている場合にも適用されることは理解されるであろう。
【００３５】
正確にどれだけの歪みが加熱線に許容可能であるかは、加熱線が作られる材料、特に材料の熱膨張係数に左右される。出願人は、Ｎｉ−Ｃｒ加熱線の場合に０．２％の歪みが許容可能であると観測した。従って、本実施例において、加熱線によって形成された円形螺旋の均一な勾配の大きさは、ＳＭＡロッドがより短い非変形状態にあるときには、０．６２〜０．７６に含まれる必要がある。
【００３６】
加熱線は、ＳＭＡロッドの温度を遷移温度より上に上昇させるために、電流を供給する必要がある。図４Ａ及び図４Ｂは、加熱線をどのように電力供給装置に接続することができるかを概略的に示している。上記で説明したように、例示する実施形態によれば、ポリイミド薄膜で包まれた加熱線１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを含む加熱リボン１６は、熱伝導エラストマによって緩みなくＳＭＡロッド１０に緊密に巻回され、任意選択的にロッドの表面に装着される。その端部の各端部では、加熱リボンは、短い末端部分を備え、ＮｉＣｒ電線１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及び１６ｄは露出され、加熱リボンを接続するために使用されるリード部（ｌｅａｄ）を形成するように一緒に捩られている。図４Ａに示すように、リード部の一方（参照符号２４ａとされた）は、ロッド１０の固定端部近傍に位置し、一方、リード部の他方（参照符号２４ｂとされた）は、ロッドの移動端部近傍に位置する。
【００３７】
固定端部近傍に位置するリード部２４ａを電力供給装置に接続することは、容易とすることができる。しかしながら、移動端部近傍に位置するリード部２４ｂを接続するには、原理的には、移動電線の使用が必要である。このような浮動接続部は、アクチュエータの動作寿命に悪影響を与える可能性があることは理解されるであろう。この問題を回避するために、本実施例の加熱システムは、電流を固定端部に導くように配置された戻りループとしてＳＭＡロッド１０を使用する。従って、金属クリンプ２６が、ロッドの移動端部近傍に位置し、リード部２４ｂとＳＭＡロッド１０の間で必要とされる電気接続部を提供するように配置される。反対側では、図４Ｂに示すように、ＳＭＡロッドの固定端部は、電力供給装置の端子の一方に接続され、一方、リード部２４ａは、電力供給装置の他方の端子に接続される。このような構成によって、ロッドの固定端部のみを介して加熱線に電気を供給することが可能である。
【００３８】
電流が加熱線を流れると、電流によって生成された熱は、熱伝導ポリイミド薄膜を介してＳＭＡロッドに流れ込む。ＳＭＡロッドの温度が上昇し始めると、ＳＭＡロッドに流れ込む熱の一部は、ロッド内に保持されずに熱散逸介して失われる。空間において、熱損失は、２種類、すなわち、放射及び導電のみとすることができる。放射を介した熱損失は、ロッドの全長にわたって実質的に同じである必要がある。対照的に、導電損失は、ＳＭＡロッドとアクチュエータの残りの部分との間の機械的接点に限定されるべきである。図１Ａ及び図１Ｂを再度参照すると、ＳＭＡロッドは２つの端部によって保持されていることが分かる。従って、両端での機械的接点が唯一の経路であり、この経路に沿って伝導性熱伝達が起こることができる。このような配置では、導電損失は、ＳＭＡロッドの端部の温度を有意に下げる可能性がある。このような熱勾配は、ロッドの正味ストロークの低減を誘起することになる。本実施例によれば、ロッドの長さに沿った温度の均一性を高めるために、ロッドの端部は、アクチュエータの残りの部分から断熱される。この結果は、断熱材料の少なくとも１つの層をロッドと機械的接続部との間に配置することによって得られる。
【００３９】
図５Ａ及び図５Ｂは、各ＳＭＡロッドの末端部２２を固定機械的接続部から熱的に分離する断熱材の層を提供するために、二層プリント回路基板（ＰＣＢ）２８ａ（例えば、Ａｒｌｏｎから作製された）をＳＭＡロッド１０の固定端部にどのように配置することができるかを示している。略円板状のＰＣＢ２８ａの外側縁部は、ＳＭＡロッド１０の末端部２２のうちの一方の末端部の小径円筒突出部を受けるように適合された８つの規則的に離間されたノッチ３２を備える。図５Ｂにおいて、二層ＰＣＢ２８ａの上層は、ＰＣＢの導体トラック３０を示すために取り外されている。例示するように、各ノッチ３２は、導体トラック３０によって囲まれている。ロッド１０が末端部２２と共にＰＣＢのノッチ３２に挿入されると、末端部２２の各末端部の頭部は、導体トラック３０のうちの１つと接触する。更に、導体トラック３０の外形は対称形ではなく、各導体トラックは、円板状ＰＣＢの縁部に沿ってノッチの片側からかなりの距離を延びることが分かる。実際には、特定のノッチ３２を囲む各導体トラック３０は、次のノッチを囲む導体トラックと接合の直前で留まっている。ノッチ３２の特定の１つを囲む各非対称導体トラック３０は、次のＳＭＡロッドの周りにコイル状にされた加熱リボンのリード部２４ａとその特定のノッチに挿入される末端部２２の頭部を接続するように配置されている。従って、異なるＳＭＡロッドの周りにコイル状にされた加熱リボンは、直列に接続される。この配置によって、ＳＭＡロッドを加熱するために必要とされる電流量が低減される。二層プリント回路基板２８ａで固定機械的接続部１２の外側を覆う利点は、スリーインワンの解決策が得られることである。ＰＣＢは、ＳＭＡロッドをアクチュエータの残りの部分から断熱する役割を果たし、また、異なるＳＭＡロッドの周りにコイル状にされた加熱線を加熱手段の残りの部分に接続する役割も果たし、最後に、ＰＣＢはまた、ＳＭＡロッドをピッチ円に沿って位置付ける役割も果たす。詳細には図示されていないが、断熱材２８ｂ（例えば、Ａｒｌｏｎから作製された）の層は、好ましくは、各ＳＭＡロッドの他方の末端部２２を可動機械的接続部１４から熱的に分離するようにＳＭＡロッドの移動端部にて配置されることを更に理解されたい。断熱材２８ｂの層は、ＳＭＡロッドをアクチュエータの残りの部分から断熱する役割を果たし、また、ＳＭＡロッドを移動側でピッチ円に沿って位置付ける役割も果たす。
【００４０】
図１Ａ及び１Ｂに再び戻ると、アクチュエータ１００は、前端部１１２及び後端部１１４を有する円筒状ハウジング１１０を備えることが分かる。前端部は、軸方向スライダシャフト５１の一方端が延びる中央開口部を備える。スライダシャフト５１の突出端部は、機械出力接続部１４０を支持する。ハウジングの後端部１１４もまた中央開口部を備え、短いネジ付きシャフト１４６が、この開口部を通って軸方向に延びる。ネジ付きシャフト１４６は、一方端によって可動機械的接続部１４の背面に剛体的に取り付けられている。従って、ＳＭＡロッドの長さの変化により、ネジ付きシャフト１４６の軸方向の移動が生じることが理解されるであろう。図１Ａ及び１Ｂを更に参照すると、電気スイッチボックス１４２が後端部１１４上に取り付けられていることが分かる。電気スイッチボックス１４２上のスイッチレバーは、弾性ストリップバネ１４４によって下側位置に維持されている。一方端近傍でストリップバネを通って孔が形成され、ネジ付きシャフト１４６が孔を通って延びるように、屈曲したストリップが配置されている。屈曲したストリップバネの他方端は、ハウジングの後部１１４に装着される。調整ナット１４８が更に、ネジ付きシャフト１４６に螺合される。
【００４１】
加熱電線を通って電流が流れると、ＳＭＡロッド１０の温度は、遷移温度を超えて上昇し、これによりＳＭＡが伸長前の元の形状に戻る。このプロセスにより、ＳＭＡロッドが短縮される。ネジ付きシャフト１４６は、ＳＭＡロッドの移動端部に剛性接続されているので、ネジ付きシャフト及びナット１４８は、ハウジング１１０の内部の方向で軸方向に引き寄せられる。ＳＭＡロッドが元の記憶形状に近づくと、ナット１４８は、屈曲したストリップバネ１４４に突き当たり、これによりストリップバネ１４４は、スイッチボックス１４２のスイッチレバーを解除するように屈曲する。スイッチレバーが解除されると、加熱線を通る電流の流れが遮断される。このようにして、スイッチは、ＳＭＡが変形を完了したときに電力供給装置を遮断することができる。
【００４２】
本実施例のアクチュエータはまた、リセット中にＳＭＡロッド１０の過剰な伸長を阻止するように配置された機械的ストッパを備えている。例示された実施例によれば、機械的ストッパは、ハウジングの後端部１１４の中央開口部にプラグ接続された硬化ステンレス鋼リング１５２である。硬化ステンレス鋼リング及び可動機械的接続部は、形状相補性を有する。ＳＭＡロッドがリセットバネ３８の動作によって所定の変形長さにまで伸長したときに、機械的接続部は、機械的ストッパと当接し、その結果、ＳＭＡを過大応力から保護する。
【００４３】
ここまで説明してきたアクチュエータ１００の要素は、全体として単安定ＳＭＡアクチュエータ、すなわち、給電されたときに推力動作が可能であるが、電力供給装置が遮断されると到達位置を維持することができない単安定ＳＭＡアクチュエータを構成する。以下のセクションでは、プッシャ管２０によって駆動され、前端部には機械出力接続部１４０が取り付けられている上述のスライダシャフト５１を駆動するように配置された双安定機構を説明する。スライダシャフトは、略円筒形状を有し、アクチュエータの幾何学的主軸に沿って延びる。従って、スライダシャフト５１及びプッシャ管２０の両方は、機械的接続部１２、１４上でピッチ円の中心と同心状に整合されていることが理解されるであろう。図１Ｂの断面図を詳細に参照すると、プッシャ管２０が中空であること、及びスライダシャフト５１の後方部分は、この中空の管に滑動可能に挿入されることが分かる。
【００４４】
図１Ｂを更に参照すると、スライダシャフト５１は、圧縮コイルバネ５６の一方端と協働するように配置された環状当接部５５を備え、該圧縮コイルバネ５６が、スライダシャフトの前方部分を囲み、他方端にて、アクチュエータ１００のハウジングの前端部１１２の中央開口部にプラグ接続されたハブの形態で固定環状当接部５７に当接することが分かるであろう。固定式環状当接部は、スライダシャフト５１がほとんど遊びなしで通過できる軸方向開口部を備える。以下でより詳細に説明するように、双安定機構は、２つの安定位置の間の何れかの方向に軸方向に変位させるようにしてスライダシャフトを制御するよう適合されている。２つの安定した軸方向の位置を区別するために、機械出力接続部１４０がハウジング１１０から最も離れている位置を「伸長位置」と呼び、他方の位置を「後退位置」呼ぶことにする。スライダシャフト５１の伸長位置への変位は、圧縮バネ５６の作用に抗して行われ、スライダシャフトの後退位置に戻る変位は、バネ５６の圧力の作用を受けて行われる。
【００４５】
双安定機構は更に、（図６ｃにより詳細に示される）ロータ６５を備える。ロータは、スライダシャフト５１上に同心状に取り付けられて、環状当接部６５の後方側に当接するように配置された中空シリンダにある。ロータ６５の円筒状外面には、ロータの軸線の周りに規則的に離間された６つの長手方向に延びる溝６７が設けられている。更に、ロータ６５の後端面は、１２個の三角歯７９が形成され、各々が後方フランク（ｔａｉｌｉｎｇ  ｆｌａｎｋ）よりも急勾配で傾斜した前方フランク（ｌｅａｄｉｎｇ  ｆｌａｎｋ）を有する。最後に、溝６７の各溝は、歯のうちの１つの歯の前方フランクの下端部と位置合わせされる点に留意されたい。
【００４６】
ロータ６５の直径は、ロータが理論的にほとんど遊びなしでフレームキャップ４２の円筒状開口部を通ることができるようになっている。しかしながら、円筒状開口部は、内部に設けられ、６つの半径方向のキー又はリブ８２が互いに６０°に設定されている。これらのキーは、ロータ６５が円筒状開口部へ滑動するのを防ぐことができるような高さがある。しかしながら、キー８２がロータの溝６７と一直線に並んだときには、ロータは、開口部に滑動することができ、溝６７は、交互する歯７９の前方フランクの下端部から延びることは理解されるであろう。
【００４７】
プッシャ管２０の前端部は、ロータ６５と同じ直径である。更に、プッシャ管２０の前端部面は、数が同じで、ロータの後端面上に形成された歯と同じ特性の歯が形成され、プッシャ管２０の末端部分の円筒状外面は、ロータ６５の側面上に形成された溝６７と同じ特性の６つの長手方向に延びる溝８６を備える。キー８２と協働することによって、プッシャ管２０の長手方向に延びる溝８６は、プッシャ管２０がフレームキャップ４２の内側で滑動できるが、フレームキャップがプッシャ管に対して回転するのを防止することができる。
【００４８】
ここで、双安定機構の動作について、図７Ａ〜図７Ｈを参照しながら説明する。フレームキャップ４２のキー８２がロータ６５の溝６７に係合されると同時に、可動機械的接続部１４及びプッシャ管２０にＳＭＡロッドによって牽引が印加されないときには、圧縮コイルバネ５６の圧力は、ロータ６５の歯の後方フランクが最終的にプッシャ管２０の歯のフランクに載るようになるまで、スライダシャフト５１を軸方向に付勢する。この位置（図７Ａ）において、双安定機構は、スライダシャフト５１の後退位置に対応する安定状態にある。ここでＳＭＡロッドが遷移温度を超えて加熱された場合、変形によって、プッシャ管２０が軸方向前方に移動するようになる。ロータは、プッシャ管の歯のフランクに載っているので、ロータ６５及びスライダシャフト５１は、圧縮コイルバネ５６の作用に抗して軸方向に前に付勢される（図７Ｂ）。ロータ６５の前方移動により、最終的には、溝６７が、キー８２から完全に係合解除される。この位置（図７Ｃ）において、双安定機構は、スライダシャフト５１の最大ストローク位置に対応する過渡状態にある。その後、ロータは、自由に回転することができ、ロータの歯の傾斜したフランクは、２つの対向するセットの歯が完全な入れ子位置にあるまでロータが枢動しながら、プッシャ管２０の歯の後方フランクに当接して滑動することができる。この時点（図７Ｄ）で、ロータ６５の角度位置は、キー８２がその歯の後方フランクの頂部に面しているようになっている。ここでＳＭＡロッドの加熱手段がオフにされた場合、ロッドは、徐々に冷却され、リセットバネ３８によって所定の変形状態にリセットされるようになる。この新たな変形によって、プッシャ管２０は、軸方向後方に移動するようになる。プッシャ管が後退すると、圧縮コイルバネ５６の圧力は、同じ方向でロータを付勢する。しかしながら、溝６７は、もはやキー８２と一直線状にはなく、従って、ロータは、フレームキャップ４２に当接するようになり、歯の後方フランクがキー８２に当接する。ロータは、依然として自由に回転することができるので、ロータの歯の後方フランクは、キーがフランクの底部に置かれるまで、ロータが再度枢動する間にフレームキャップのキーに当接して滑動することができる。この位置（図７Ｅ）では、双安定機構は、スライダシャフト５１の伸長位置に対応する安定状態にある。ここでＳＭＡロッドが遷移温度を超えて再び加熱された場合、変形により、プッシャ管２０は、再度軸方向前方に移動し、プッシャ管の歯のフランクは、最終的には、ロータ６５の歯の後方フランクに載るようになる（図７Ｆ）。ここから、ロータの歯の後方フランクは、２つの対向するセットの歯が再び完全入れ子位置となるまで（図７Ｇ）、ロータが枢動する間にプッシャ管２０の歯の傾斜フランクに当接して滑動することができる。ここでＳＭＡロッドの加熱手段がオフにされた場合、ロッドは、徐々に冷却されて、これによりプッシャ管２０が軸方向後方に移動するようになる。プッシャ管が後退すると、圧縮コイルバネ５６の圧力が同じ方向でロータを付勢する。しかしながら、溝６７は、キー８２と未だ一直線状になく、ロータは引き留められ、歯の後方フランクがキー８２に当接する（図７Ｈ）。ロータは、未だ自由に回転することができるので、歯の後方フランクは、キー８２が再びロータ（図７Ａ）の溝６７と一直線になるまで、ロータが再度枢動する間にフレームキャップのキーに当接して滑動することができる。
【００４９】
添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書の主題を形成する実施形態に対して、当業者には明らかである様々な変更及び／又は改良を行うことができることは理解されるであろう。
【００５０】
（付属書）
数式の導出
【００５１】
コイル状にされた加熱線によって形成された円形螺旋は、デカルト座標において以下のパラメータ表示により数学的に記述することができ、
【数１０】
2020532672.tif 000012
式中、ａは円形螺旋の半径、ｂ／ａは均一な勾配である。
１つの完全な螺旋巻きの高さ（すなわち、螺旋の「ピッチ」）は、２πｂに等しく、同じ完全な巻きの「弧長」は、
【数１１】
2020532672.tif 000013
に等しい。
発明者らは、ＳＭＭストランド変形後の螺旋の弧長が変形前の螺旋弧長に等しいよう横方向歪み及び軸方向歪みが相殺されるように、螺旋の均一な斜角又は同等に螺旋の均一な勾配を見出す試みにアイデアを得た。
εがＳＭＭストランドの伸長歪みである場合、以下のように書くことができ、
【数１２】
2020532672.tif 000014
式中、ＬはＳＭＭストランドの長さであり、
ＶがＳＭＭストランドの容積である場合、以下のように書くことができ、
【数１３】
2020532672.tif 000015
δが体積変化率
【数１４】
2020532672.tif 000016
である場合、以下のように書くこともできる。
【数１５】
2020532672.tif 000017
ここで、（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）を結合すると、以下になる。
【数１６】
2020532672.tif 000018
円形螺旋の半径がＳＭＭストランドの半径と共に増減する場合、（ｉｖ）は、以下を意味し、
【数１７】
2020532672.tif 000019
円形螺旋のピッチがＳＭＭストランドの長さＬと共に増減する場合、（ｉ）は、以下を意味する。
【数１８】
2020532672.tif 000020
ここで、円形螺旋の弧長が一定のままである場合、
【数１９】
2020532672.tif 000021
これは、以下を意味する。
【数２０】
2020532672.tif 000022
（ｖｉｉｉ）を（ｖ）及び（ｖｉ）と結合すると、更に以下に書くことができる。
【数２１】
2020532672.tif 000023
最後に、（ｉｘ）は、以下のように変形される。
【数２２】
2020532672.tif 000024
式中、ｂ／ａは円形螺旋の均一な勾配である。
【図１Ａ】
2020532672.tif 000028
【図１Ｂ】
2020532672.tif 000029
【図２】
2020532672.tif 000030
【図３Ａ】
2020532672.tif 000031
【図３Ｂ】
2020532672.tif 000032
【図４Ａ−４Ｂ】
2020532672.tif 000033
【図５Ａ】
2020532672.tif 000034
【図５Ｂ】
2020532672.tif 000035
【図６Ａ】
2020532672.tif 000036
【図６Ｂ】
2020532672.tif 000037
【図６Ｃ】
2020532672.tif 000038
【図７Ａ】
2020532672.tif 000039
【図７Ｂ】
2020532672.tif 000040
【図７Ｃ】
2020532672.tif 000041
【図７Ｄ】
2020532672.tif 000042
【図７Ｅ】
2020532672.tif 000043
【図７Ｆ】
2020532672.tif 000044
【図７Ｇ】
2020532672.tif 000045
【図７Ｈ】
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【国際調査報告】
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