JP3963021B2 - アクチュエータ移動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、形状記憶材料、特にＳＭＡ（形状記憶合金）を用いた簡単な構造のアクチュエータ移動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、形状記憶合金を利用した種々の装置が考えられている。ここで、形状記憶合金について簡単に説明する。
【０００３】
まず、物質に外力を印加することで起因する塑性変形（歪み）が、温度の上昇に伴い消失して元の形状に復帰する現象を形状記憶効果という。言い換えると、形状記憶効果は、常温で変形させた後に高温に加熱すると、変形前の形状（予め記憶された形状）に回復する現象のことである。この現象は、金属、プラスチック、及びセラミックにおいて確認されており、特に金属についてはＳＭＡ（形状記憶合金）として約２０種類の合金が知られている。
【０００４】
このようなＳＭＡは、そのほとんどが単結晶系であり、主にコストの点から工業利用できるレベルには至っていない。数少ない多結晶系であり、かつ実際に工業利用されているのはＴｉＮｉ系とＣｕ系の２種類のみである。
【０００５】
最も汎用されているＴｉＮｉ系の場合、相転移温度Ｔｃ（物質が異なる相または変態に状態を移す温度）、すなわち上記元の形状に復帰する温度は、成分比の微調整によって−８０〜＋１００度Ｃの間に設定できる。
【０００６】
尚、本明細書においては、上記相転移温度Ｔｃを越えた温度を高温、上記相転移温度Ｔｃより低い温度を低温（あるいは常温）というものとして区別することとする。
【０００７】
また、上記元の形状に復帰する時に発生する力（形状回復力）は、非常に大きなものであり、製品によっては４００（ＭＰａ）に達するものがある。
よって、上記形状回復力が発生しているときは、外部から多少の力が加わっても、影響があるものではない。
【０００８】
ＳＭＡの形状記憶の性質は、大別すると不可逆型と可逆型とに分けられる。
不可逆型とは、高温における形状のみ記憶でき、低温（常温）の形状は記憶できない一方向性形状記憶合金のことである。
【０００９】
可逆型とは、低温、高温両方の形状を記憶できるＳＭＡであり、例えば二方向性形状記憶合金がある。
一方向性形状記憶合金は、温度サイクルに対して不可逆的に形状変化するものであるから、低温から高温に状態を移したときは形状回復するが、高温から低温にした場合は、外部から応力が加えられない限り形状変化しない。
【００１０】
これに対し二方向性形状記憶合金は、温度サイクルに対して可逆的に形状変化するものであるから、低温から高温、高温から低温のいずれの温度サイクルであっても、低温、高温それぞれに対し予め設定されている形状へと形状回復する。
【００１１】
次に、上述のような形状記憶合金を製品に利用したＳＭＡ応用デバイスについて説明する。
現在までのＳＭＡを用いたデバイスの例としては、サーモスタット、火災報知機、自動開閉温室窓などの温度制御用デバイスや温度監視デバイスがある。
【００１２】
このようなデバイスに用いるＳＭＡは、例えば図６のように形状変化するものである。同図の（ａ）は低温時、（ｂ）は高温時である。また、同図には一方向性ＳＭＡと二方向性ＳＭＡが示してある。同図（ａ）に示すように、低温時では、一方向性ＳＭＡ、二方向性ＳＭＡはともに平面的な板状になっている。但し、一方向性ＳＭＡでは、この板状の形状は記憶されていないが、二方向性ＳＭＡでは記憶されている。そして加熱することでＳＭＡの温度が相転移温度Ｔｃを越えると、予め記憶されている同図（ｂ）に示すような形状へと形状回復する。この高温時の形状回復については、一方向、二方向性ＳＭＡは同様である。次に、上記高温状態から冷却（自然冷却）することで、ＳＭＡの温度が相転移温度Ｔｃより下がると、二方向性ＳＭＡでは予め記憶されている同図（ａ）に示すような形状へと形状回復するが、一方向性ＳＭＡは同図（ｂ）に示す形状のままである。このため、一方向性ＳＭＡを同図（ａ）の形状に戻すために、一方向性ＳＭＡの板の一端（変形する側）に図示しないバイアスバネが取りつけてある。このバイアスバネによりＳＭＡに加わるバイアス応力は、ＳＭＡの形状回復力が上記のように非常に大きなものであることから、高温時には形状回復力に抗してＳＭＡ板を変形させることはできない。しかし、冷却することで相転移温度Ｔｃより下がると、形状回復力が消失するので、ＳＭＡ板を加圧変形させて同図（ａ）に示すような形状へ戻すことができる。
【００１３】
このように、ある所定の温度（相転移温度Ｔｃ）を境にして、ＳＭＡが２種類の形状を成すようにすることで、ＳＭＡは上記温度制御用デバイスや温度監視デバイス等のように、温度に応じて切り換わるスイッチング等に利用されている。
【００１４】
また、ＳＭＡを種々の形状に加工し、対応する種々の形状を記憶させることでＳＭＡを用いた装置の応用範囲を拡げることが考えられている。
更に、単位体積あたりの力出力が大きい（すなわち、上記形状回復力が非常に大きい）というＳＭＡの長所を生かして、アクチュエータ分野で応用されている例がある。例えば、感温アクチュエータ、温度差エネルギー変換エンジン、通電加熱アクチュエータ等がある。特に通電加熱アクチュエータのように、ＳＭＡ自身の抵抗を利用した通電自己発熱方式は、電気信号で直接加温制御できるので、応答速度が高速（数ms程度）であることから、マイクロアクチュエータを中心とした応用が検討されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、ＳＭＡの利用法は、数多く考えられている。
しかしながらＳＭＡの動作については、結局所定の位置における繰り返し動作を行うという点では同一のものであった。このため、このようなＳＭＡの動作を利用する装置の応用範囲も限られたものとなっていた。
【００１６】
その為、上記のような所定の位置での繰り返し動作ではなく、例えば位置を移動するようにＳＭＡを動作させることが要望されている。このような従来にないＳＭＡの動作を利用して、ＳＭＡ応用装置の範囲が拡がることになる。
【００１７】
本発明の課題は、ＳＭＡを用いた小型軽量で高速応答性に優れた簡易な構造のアクチュエータ移動装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
以下に、本発明に係わるアクチュエータ移動装置の構成を述べる。
本発明のアクチュエータ移動装置である第１の装置は、所定の移動経路を形成するガイド手段と、該ガイド手段に係合して該ガイド手段に沿って移動可能なアクチュエータと、該アクチュエータを移動制御する移動制御手段とを備えるアクチュエータ移動装置であって、前記アクチュエータは、所定の温度を境にして前記ガイド手段に対して係止状態と摺動可能な係合状態とを取り得る形状記憶材料より成る第１、第２の係合部材と、該第１、第２の係合部材を連結するようにして設けられ、所定の温度以上で伸長あるいは短縮する形状記憶材料より成る連結部材と、該連結部材の所定の温度以上での伸縮状態を、所定の温度以下で逆の状態へと伸縮させる伸縮手段とから構成され、前記移動制御手段は、前記アクチュエータを前記各部材毎に所定タイミングで温度制御して移動させる構成からなる。
【００１９】
上記第１の装置において、例えば請求項２記載のように、前記連結部材を成す形状記憶材料は、所定の温度以上で不可逆的に伸長あるいは短縮する一方向性形状記憶合金であり、前記第１、第２の係合部材を成す形状記憶材料は、所定の温度以上で不可逆的に内径が変化する一方向性形状記憶合金である。
【００２０】
また、上記伸縮手段は、例えば請求項３記載のように、前記連結部材の形状記憶材料の所定温度以上での伸縮方向と逆方向に応力を加えるバイアスバネである。
【００２１】
本発明のアクチュエータ移動装置である第２の装置は、所定の移動経路を形成するガイド手段と、該ガイド手段に係合して該ガイド手段に沿って移動可能なアクチュエータと、該アクチュエータを移動制御する移動制御手段とを備えるアクチュエータ移動装置であって、前記アクチュエータは、所定の温度を境にして前記ガイド手段に対して係止状態と摺動可能な係合状態とを取り得る形状記憶材料より成る第１、第２の係合部材と、該第１、第２の係合部材を連結するようにして設けられ、所定の温度を境にして伸縮する形状記憶材料より成る連結部材とから構成され、前記移動制御手段は、前記アクチュエータを前記各部材毎に所定タイミングで温度制御して移動させる構成からなる。
【００２２】
上記第２の装置の連結部材を成す形状記憶材料は、例えば請求項５記載のように、所定の温度を境にして可逆的に形状回復する二方向性形状記憶合金、あるいは全方位形状記憶合金である。
【００２３】
また、例えば請求項６記載のように、前記移動制御手段による温度制御は、前記形状記憶材料に通電して自己発熱させる電気制御方式である。
更に、例えば請求項７記載のように、上記ガイド手段は軸であり、上記第１、第２の係合部材、及び上記連結部材はコイルバネの形状である。
【００２４】
次に、本発明のアクチュエータ移動装置の移動制御方法は、前記ガイド手段に対し摺動可能に係合されている形状記憶材料より成る第１の係合部材、第２の係合部材のいずれか一方を、所定の温度以上に加熱制御して前記ガイド手段に係止させる第１工程と、該第１工程から更に形状記憶材料より成る連結部材を所定の温度以上に加熱制御して、前記ガイド手段に係止させた係合部材を基点にして前記連結部材を伸長、あるいは短縮させることに伴い、摺動可能な状態にある前記係合部材の他方を前記ガイド手段に沿って摺動移動させる第２工程と、該第２工程から更に前記摺動移動させた係合部材を所定の温度以上に加熱制御して前記摺動移動させた位置に係止させるとともに、前記第１、第２工程で加熱制御した係合部材及び連結部材を所定の温度以下に冷却させることにより、該連結部材を伸縮が逆となるように短縮、あるいは伸長させることに伴い該冷却させた係合部材を前記ガイド手段に沿って摺動移動させる第３工程と、該第３工程において加熱制御した係合部材を所定の温度以下に冷却させることにより、前記第１工程の初期状態にする第４工程とからなる一連の工程を順次行い該一連の工程を繰り返すことにより、少なくとも前記第１、第２の係合部材及び連結部材を有する前記アクチュエータを、前記ガイド手段に沿って自在に移動させるようにして行う制御方法である。
【００２５】
【作用】
先ず、請求項１に記載の発明は、形状記憶材料より成る第１、第２の係合部材の何れか一方を係止状態、他方を摺動可能な係合状態となるように移動制御手段により温度制御する。更に連結部材を所定温度以上に加温制御して、その記憶形状へと伸長あるいは短縮させる。この伸縮いずれかの変形に伴い、上記係合部材の他方が、ガイド手段に沿って摺動移動する。次に、この係合部材を移動先で係止状態にし、更に他の係合部材を摺動可能な係合状態となるように温度制御するとともに、連結部材が所定温度以下となるように温度制御する。これによって、伸縮手段が連結部材を上記記憶形状と逆の状態へ伸縮させ、これに伴い上記他の係合部材がガイド手段に沿って摺動移動する。
【００２６】
以上の一連の動作により、アクチュエータは、連結部材が伸縮した長さだけ移動したことになる。この一連の動作を繰り返すことで、アクチュエータは、ガイド手段に沿って自在に移動することができる。
【００２７】
次に、請求項４に記載の発明は、形状記憶材料より成る第１、第２の係合部材の何れか一方を係止状態、他方を摺動可能な係合状態となるように移動制御手段により温度制御する。更に、所定の温度を境にして伸縮が逆の形状をそれぞれ記憶してある連結部材を、温度制御して、その温度での記憶形状へと伸長あるいは短縮させる。この伸縮いずれかの変形に伴い、上記係合部材の他方が、ガイド手段に沿って摺動移動する。次に、この係合部材を移動先で係止状態にし、更に他の係合部材を摺動可能な係合状態となるように温度制御するとともに、連結部材を温度制御して伸縮が逆の状態へ形状変形させる。このときの伸縮動作に伴い上記他の係合部材がガイド手段に沿って摺動移動する。
【００２８】
以上の一連の動作により、アクチュエータは、連結部材が伸縮した長さだけ移動したことになる。この一連の動作を繰り返すことで、アクチュエータは、ガイド手段に沿って自在に移動することができる。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
まず、本発明の第１の実施例について説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施例に係わるアクチュエータ移動装置の構成を示す側断面図であり、（ａ）には低温時の装置全体図、（ｂ）には高温時のＳＭＡコイルの記憶形状を示してある。
【００３１】
同図において、固定軸１は、少なくともその表面が絶縁性材料で形成される棒状の軸である。この固定軸１の断面は、円、楕円、多角形等であるが、ここでは外径Ｄｄの円であるものとする。
【００３２】
ＳＭＡコイル２は、一方向性ＳＭＡの線材を巻いたコイルであり、固定軸１が挿入されている。一方向性ＳＭＡは、前述したように、昇温に伴い相転移温度を越えた状態（高温時）のみ形状を回復させる応力を発生するものであって、相転移温度以下の状態（低温時）では回復応力は発生しないものである。
【００３３】
このＳＭＡコイル２は、締付部２−ａ、伸縮移動部２−ｂ、締付部２−ｃの３つの部位から成り、各部位はそれぞれ、コイルの巻き形状及び記憶させた形状が異なるものである。同図（ａ）には低温時において後述するバイアスバネ等による外部応力を受けてＳＭＡコイル２が塑性変形した形状を示しており、同図（ｂ）には高温時に回復応力の発生によりＳＭＡコイル２が形状回復した時の形状、すなわち予め記憶された記憶形状を示している。
【００３４】
同図（ａ）において、ＳＭＡコイル２の締付部２−ａ、及び締付部２−ｃの内径Ｓは、固定軸１の外径Ｄｄと略同一となっている。このときのＳＭＡコイル２の締付部２−ａ、及び締付部２−ｃによる固定軸１に対する締め付け圧力は、小さいものであり、よって軸との摩擦抵抗力も小さいものである。このため、ＳＭＡコイル２の締付部２−ａ、及び締付部２−ｃは、固定軸１に外接摺動して軸方向に移動可能となっている。ＳＭＡコイル２の伸縮移動部２−ｂは、その内径が少なくとも固定軸１の外径Ｄｄより大きく、固定軸１の軸方向に移動自在となっている。
【００３５】
また、ＳＭＡコイル２の伸縮移動部２−ｂの長さＬは、上記のように外部応力を受けて塑性変形することで、図示の長さＬｓまで縮められている。
一方、同図（ｂ）に示す記憶形状は、ＳＭＡコイル２の伸縮移動部２−ｂの長さＬは、図示の長さＬｔ（＞Ｌｓ）となっている。つまり、高温時には伸縮移動部２−ｂの長さが伸びるように設定されている。
【００３６】
また、ＳＭＡコイル２の締付部２−ａ、及び締付部２−ｃの内径はＳｎとなり、この内径Ｓｎは固定軸１の外径Ｄｄより小さく（Ｓｎ＜Ｄｄ）なるように設定されている。ここで、ＳＭＡコイル２が固定軸１に組み込まれているので、実際にはＳＭＡコイル２の内径は外径Ｄｄより小さくはならない。その為、このようなＳＭＡコイル２の内径を固定軸１の外径Ｄｄより小さくするようにして生じるＳＭＡの回復応力は、固定軸１を締め付ける圧力（以下、クランプ力という）として働くことになる。
【００３７】
ＳＭＡの回復応力は、前述したように非常に大きなものであることから、上記クランプ力も非常に強い力として働くので、結果として軸との摩擦抵抗力は非常に大きなものとなる。このため、ＳＭＡコイル２の締付部２−ａ、及び締付部２−ｃは外接摺動不可能となる。
【００３８】
また、上記長さＬ及び内径Ｓ以外のＳＭＡコイル２の寸法は、同図（ａ）、（ｂ）では変わらないものとする。
バイアスバネ３は、上述したように、高温時に長さＬｔに伸びたＳＭＡコイル２の伸縮移動部２−ｂを、低温時に長さＬｓに縮めるための応力を与えるために設けられたバネである。このバイアスバネ３より加わるバイアス力は、低温時にＳＭＡコイル２を塑性変形させるのに充分な力ではあるが、ＳＭＡの回復応力よりはかなり小さいものである。よって高温時には、バイアスバネ３による影響はほとんどない。
【００３９】
スリーブ４は、ＳＭＡコイル２とバイアスバネ３とを力学的に結合するために設けられた一対の結合部材である。スリーブ４は、その中央に固定軸１を通す為の穴が形成されている円板状の部材であり、固定軸上を移動自在となっている。スリーブ４の円周部分は２段形状となっており、内側の段には図のようにバイアスバネ３が円周に沿って結合されている。また、ＳＭＡコイル２も、図示の接点部分でスリーブ４に係止されている。（尚、締付部２−ａ、２−ｃの外径が、スリーブ４の内径より充分大きい場合には、係止する必要はない）
電極５、電極６、電極７、及び電極８は、不図示の電源によりＳＭＡコイル２を通電加熱するために、ＳＭＡコイル２上の所定の位置に設けられた電極である。上記電源は、所定の手段（例えば、固定軸１と所定の間隔で平行に設けられたレール等）により、ＳＭＡコイル２の移動に伴って移動可能となっている。
【００４０】
ここで、上記通電加熱は、前述したように、ＳＭＡ自身の抵抗を利用した通電自己発熱方式であり、ＳＭＡコイル２の通電した部分の温度が、相転移温度を越えるように設定されている。
【００４１】
上記通電は、ＳＭＡコイル２の各部位（締付部２−ａ、伸縮移動部２−ｂ、締付部２−ｃ）に対し、それぞれ別々に行うことができるように配線されている。例えば、電極６、７間に電圧を印加することで、伸縮移動部２−ｂが通電加熱されることになる。それにより伸縮移動部２−ｂの温度が相転移温度を越え、回復応力が働いて伸縮移動部２−ｂの長さがＬｔに伸びることになる。他の部位についても同様である。また、同時に２つ、あるいは３つの部位に通電することもできる。
【００４２】
次に、上記構成のアクチュエータ移動装置の動作について説明する。
図２は、本発明の第１の実施例に係わるアクチュエータ移動装置の動作説明図である。
【００４３】
同図においては、固定軸１とＳＭＡコイル２のみを図示することにして、他の構成部品は図示せずに機能動作の説明のみを行うこととする。
ＳＭＡコイル２の移動動作は、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で示す４工程に分かれて、間欠的に行われるものである。
【００４４】
初期状態では、ＳＭＡコイル２の温度は、相転移温度以下となっており、バイアスバネ３によるバイアス力が印加されて図１（ａ）に示す状態となっている。この状態では、ＳＭＡコイル２の伸縮移動部２−ｂの長さは、Ｌｓに縮められており、また締付部２−ａ、締付部２−ｃは固定軸１の軸方向に沿って摺動移動可能となっている。
【００４５】
この状態から、まず図２（ａ）に示すように、電極５、６間に通電することで、ＳＭＡコイル２の締付部２−ａを通電加熱する。これによりＳＭＡコイル２の３つの部位のうち、締付部２−ａの温度だけが相転移温度以上となり、それにより発生するＳＭＡの回復応力が、前述したように固定軸１を締め付けるクランプ力として働き、固定軸１との摩擦抵抗力が増大する。このため、締付部２−ａは、事実上、固定軸上の図示の位置に固定された状態になる。
【００４６】
次に、同図（ｂ）に示すように、上記の状態から更に電極６、７間にも通電することで、伸縮移動部２−ｂの温度も相転移温度以上となり、それにより発生するＳＭＡの回復応力により、伸縮移動部２−ｂの長さは上記ＬｓからＬｔまで伸びる。このとき、締付部２−ａが上記固定された状態であり、締付部２−ｃは外接摺動可能な状態であることから、伸縮移動部２−ｂは締付部２−ａを基点として図示の右方向に伸びることになる。これに伴い締付部２−ｃは、図示の右方向へ移動することになる。このとき、図示しないバイアスバネ３によるバイアス力が逆方向（短縮方向）に加えられているが、前述したようにＳＭＡの回復応力に比べ非常に小さいものであり、影響はないものである。このときのＳＭＡコイル２の状態は、同図（ｂ）に示す通りである。
【００４７】
次に、同図（ｃ）に示すように、電極７、８間に通電することで、締付部２−ｃは、上記移動した位置に固定されることになる。また、このとき電極５、６間、及び電極６、７間に通電を行うのを止めることで、締付部２−ａ、及び伸縮移動部２−ｂは自然冷却されていく。ここで、同図（ｃ）は、冷却途中の段階であり、未だ相転移温度以上であるときの状態を示している。
【００４８】
そして、締付部２−ａ、及び伸縮移動部２−ｂの温度が相転移温度以下となった時、ＳＭＡの回復応力は消失する。よって、締付部２−ａは固定軸上を外接摺動可能となり、また伸縮移動部２−ｂはバイアスバネにより長さがＬｓに縮まることになる。このとき、締付部２−ｃが上記のように軸に固定された状態にあることから、伸縮移動部２−ｂは締付部２−ｃに向けて縮むことになり、これに伴って締付部２−ａが固定軸上を外接摺動していき、同図（ｄ）に示す状態になる。以上、図２（ａ）〜（ｄ）の動作を行うことで、ＳＭＡコイル２全体が、固定軸１に対して所定距離だけ移動したことになる。最後に、電極７、８間に通電を行うのを止めることで、ＳＭＡコイル２の状態は、上記初期状態に戻ることになる。
【００４９】
以上の動作を１サイクルとして、このサイクルを繰り返すことにより、連続した移動動作を行うことができる。
また、上記説明においては、最初に締付部２−ａに通電加熱することで右方向への移動を行うように制御したが、最初に締付部２−ｃに通電加熱するようにして、左方向への移動を行うように制御することもできる。
【００５０】
このようにして、ＳＭＡコイル２は、固定軸１に沿って任意の位置まで移動自在となる。
また、本発明の第１の実施例に係わる一方向性ＳＭＡを用いたアクチュエータ移動装置は、上記説明した一例に限らない。
【００５１】
ＳＭＡコイル２の通常状態、記憶状態を変え、それに応じた制御を行うことでＳＭＡコイル２が固定軸１上を移動動作するものであれば何でも良い。
例えば、上記第１の実施例の変形例として、記憶状態では上記Ｌｓの長さに縮むように設定され、通常状態ではバイアスバネ３３によりＬｔの長さに伸びるようにした伸縮移動部３２−ｂと、ＳＭＡコイル２の締付部２−ａ、２−ｃと同一である締付部３２−ａ、３２−ｃとからなるＳＭＡコイル３２を用いるようにしても良い。このときのバイアスバネ３３は、例えばＷの長さで両スリーブ４を広げている。よって、このバイアスバネ３３によるバイアス力は、ＳＭＡコイル２を伸ばす方向へと働いている。このように構成した一方向性ＳＭＡを用いたアクチュエータ移動装置の動作について説明する。
【００５２】
図３は、本発明の第１の実施例に係わる上記変形例の構成のアクチュエータ移動装置の動作説明図である。
同図においては、固定軸１とＳＭＡコイル３２のみを図示することにして、他の構成部品は図示せずに機能動作の説明のみを行うこととする。
【００５３】
ＳＭＡコイル３２の移動動作は、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で示す４工程に分かれて、間欠的に行われるものである。
初期状態では、ＳＭＡコイル３２の温度は、相転移温度以下となっており、バイアスバネ３３によるバイアス力がＳＭＡコイル３２を両側に伸ばす方向に印加されている。よって、この状態では、ＳＭＡコイル３２の伸縮移動部３２−ｂは、バイアスバネ３３によってＬｔの長さに伸ばされている。また締付部３２−ａ、締付部３２−ｃは固定軸１の軸方向に沿って摺動移動可能となっている。
【００５４】
この状態から、まず図３（ａ）に示すように、電極７、８間に通電することで、ＳＭＡコイル３２の締付部３２−ｃを通電加熱する。これによりＳＭＡコイル３２の３つの部位のうち、締付部３２−ｃの温度だけが相転移温度以上となり、それにより発生するＳＭＡの回復応力が、前述したように固定軸１を締め付けるクランプ力として働き、固定軸１との摩擦抵抗力が増大する。このため、締付部３２−ｃは、事実上、固定軸上の図示の位置に固定された状態になる。
【００５５】
次に、同図（ｂ）に示すように、上記の状態から更に電極６、７間にも通電することで、伸縮移動部３２−ｂの温度も相転移温度以上となり、それにより発生するＳＭＡの回復応力により、伸縮移動部３２−ｂの長さは上記ＬｔからＬｓまで縮む。このとき、締付部３２−ｃが上記固定された状態であり、締付部３２−ａは外接摺動可能な状態であることから、伸縮移動部３２−ｂは締付部３２−ｃを基点にして図示の右方向へと縮む。これに伴い締付部３２−ａは、図示の右方向へ移動することになる。このとき、図示しないバイアスバネ３３によるバイアス力が逆方向（伸ばす方向）に加えられているが、前述したようにＳＭＡの回復応力に比べ非常に小さいものであり、影響はないものである。このときの状態は、同図（ｂ）に示す通りである。
【００５６】
次に、同図（ｃ）に示すように、電極５、６間に通電することで、締付部３２−ａは、上記移動した位置に固定されることになる。また、このとき電極６、７間、及び電極７、８間に通電を行うのを止めることで、伸縮移動部３２−ｂ、及び締付部３２−ｃは自然冷却されていく。ここで、同図（ｃ）は、冷却途中の段階であり、未だ相転移温度以上であるときの状態を示している。
【００５７】
そして、伸縮移動部３２−ｂ、及び締付部３２−ｃの温度が相転移温度以下となった時、ＳＭＡの回復応力は消失する。よって、締付部３２−ｃは固定軸上を外接摺動可能となり、また伸縮移動部３２−ｂはバイアスバネにより長さがＬｔまで伸ばされることになる。このとき、ＳＭＡコイル３２は同図（ｄ）に示す状態になり、ＳＭＡコイル３２全体が、固定軸１に対して移動したことになる。最後に、電極５、６間に通電を行うのを止めることで、ＳＭＡコイル３２の状態は、上記初期状態に戻ることになる。
【００５８】
以上の動作の１サイクルとして、これを繰り返すことにより、連続した移動動作を行うことができる。
また、上記説明では右方向への移動について説明したが、左方向への移動もできる。
【００５９】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
図４は、本発明の第２の実施例に係わるアクチュエータ移動装置の構成を示す側断面図である。同図（ａ）において、固定軸１については、第１の実施例と同一であり、同一符号を付して説明は省略する。
【００６０】
同図（ａ）において、ＳＭＡコイル４２は、二方向性ＳＭＡの線材を巻いたコイルであり、固定軸１が挿入されている。二方向性ＳＭＡは、前述したように、相転移温度を越えた状態（高温時）と相転移温度以下の状態（低温時）との両方における形状を記憶できるＳＭＡである。よって、相転移温度を境にして、可逆的に形状変化する。よって、同様の性質を有する例えば全方位形状記憶合金の線材を巻いたコイルを用いることもできるが、ここでは二方向性ＳＭＡを用いるものとして説明する。
【００６１】
このＳＭＡコイル４２は、締付部４２−ａ、伸縮移動部４２−ｂ、締付部４２−ｃの３つの部位から成り、各部位はそれぞれ、コイルの巻き形状及び記憶させた形状が異なるものである。同図（ｂ）には低温時におけるＳＭＡコイル４２の記憶形状が示してあり、同図（ｃ）には高温時におけるＳＭＡコイル４２の記憶形状が示してある。
【００６２】
また、同図（ａ）において、電極４５、電極４６、電極４７、及び電極４８は、不図示の電源によりＳＭＡコイル４２の各部位を、各々通電加熱するために、ＳＭＡコイル４２上の所定の位置に設けられた電極である。
【００６３】
ここで、同図（ｂ）に示す低温時の記憶形状は、ＳＭＡコイル４２の締付部４２−ａ、及び締付部４２−ｃの内径Ｓｔが、固定軸１の外径Ｄｄより多少大きい程度に設定されている。よって、ＳＭＡコイル４２の締付部４２−ａ、及び締付部４２−ｃは、固定軸１に外接摺動して軸方向に移動可能となっている。ＳＭＡコイル２の伸縮移動部２−ｂは、その内径が少なくとも上記内径Ｓｔより大きく、固定軸１の軸方向に移動自在となっている。
【００６４】
また、ＳＭＡコイル２の伸縮移動部２−ｂの長さＬは、図示の長さＬｓに設定されている。
一方、同図（ｃ）に示す高温時の記憶形状は、ＳＭＡコイル４２の伸縮移動部４２−ｂの長さＬは、図示の長さＬｔ（＞Ｌｓ）に設定されている。つまり、高温時には伸縮移動部２−ｂの長さが伸び、低温時には縮むように設定されている。
【００６５】
また、ＳＭＡコイル４２の締付部４２−ａ、及び締付部４２−ｃの内径はＳｎとなり、この内径Ｓｎは固定軸１の外径Ｄｄより小さく（Ｓｎ＜Ｄｄ）なるように設定されている。すなわち、（Ｓｔ＞Ｄｄ＞Ｓｎ）となるように設定されている。ここで、ＳＭＡコイル４２が固定軸１に組み込まれているので、実際にはＳＭＡコイル４２の内径は外径Ｄｄより小さくはならない。その為、このようなＳＭＡコイル４２の内径を固定軸１の外径Ｄｄより小さくするようにして生じるＳＭＡの回復応力は、固定軸１を締め付ける圧力（以下、クランプ力という）として働くことになる。
【００６６】
ＳＭＡの回復応力は、前述したように非常に大きなものであることから、上記クランプ力も非常に強い力として働くので、結果として固定軸との摩擦抵抗力は非常に増大することになり、外接摺動不可能となる。
【００６７】
また、上記長さＬ及び内径Ｓ以外のＳＭＡコイル４２の寸法は、同図（ｂ）、（ｃ）では変わらないものとする。
以上説明したように、第２の実施例においては、二方向性ＳＭＡを用いることにより、第１の実施例のバイアスバネ、及びスリーブを必要としない構成となっている。
【００６８】
次に、上記構成の第２の実施例に係わるアクチュエータ移動装置の動作について説明する。
図５は、本発明の第２の実施例に係わるアクチュエータ移動装置の動作説明図である。
【００６９】
ＳＭＡコイル４２の移動動作は、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で示す４段階に分かれて、間欠的に行われるものである。
初期状態では、ＳＭＡコイル４２の温度は、相転移温度以下となっており、この状態では、ＳＭＡコイル４２は図４（ｂ）に示す、低温時の記憶状態となっている。
【００７０】
この状態から、まず図５（ａ）に示すように、電極４５、４６間に通電することで、ＳＭＡコイル４２の締付部４２−ａを通電加熱する。これによりＳＭＡコイル４２の３つの部位のうち、締付部４２−ａの温度だけが相転移温度以上となり、締付部４２−ａには高温時の記憶形状をとるような回復応力が働く。これにより、締付部４２−ａの内径をＳｎとする為の力が働き、結果として固定軸１を締め付けるクランプ力が増大する。よって、締付部４２−ａは、事実上、固定軸上の図示の位置に固定された状態になる。
【００７１】
次に、同図（ｂ）に示すように、上記の状態から更に電極４６、４７間にも通電することで、伸縮移動部４２−ｂの温度も相転移温度以上となり、伸縮移動部４２−ｂは高温時の記憶形状へ形状回復する。すなわち、伸縮移動部４２−ｂの長さは、上記ＬｓからＬｔまで伸びることになる。このとき、締付部４２−ａが上記固定された状態であり、締付部４２−ｃは外接摺動可能な状態であることから、伸縮移動部４２−ｂは締付部４２−ａを基点として図の右方向に伸びることになる。これに伴い締付部４２−ｃは、図示の右方向へ摺動移動することになる。このときの状態は、同図（ｂ）に示す通りである。
【００７２】
次に、同図（ｃ）に示すように、電極４７、４８間に通電することで、締付部４２−ｃは、上記移動した位置に固定されることになる。また、このとき電極４５、４６間、及び電極４６、４７間に通電を行うのを止めることで、締付部４２−ａ、及び伸縮移動部４２−ｂは自然冷却されていく。ここで、同図（ｃ）は、冷却途中の段階であり、未だ相転移温度以上であるときの状態を示している。
【００７３】
そして、締付部４２−ａ、及び伸縮移動部４２−ｂの温度が相転移温度以下となった時、両部位は低温時の記憶形状へと形状回復する。すなわち、伸縮移動部４２−ｂの長さはＬｓに縮み、締付部４２−ａの内径がＳｔとなる。この結果、締付部４２−ａは軸に対し摺動可能となり、伸縮移動部４２−ｂの収縮動作に伴って、図の右方向へ摺動移動することになる。
【００７４】
この結果、ＳＭＡコイル４２は、同図（ｄ）に示す位置へと移動完了することになる。
最後に、電極４７、４８間に通電を行うのを止めることで、初期状態に戻り、移動動作の１サイクルが終了する。
【００７５】
以上の動作の１サイクルとして、これを繰り返すことにより、連続した移動動作を行うことができる。
また、上記説明においては、最初に締付部４２−ａに通電加熱することで右方向への移動を行うように制御したが、最初に締付部４２−ｃに通電加熱することで左方向への移動を行うように制御することもできる。
【００７６】
このようにして、ＳＭＡコイル４２は、固定軸１に沿って任意の位置まで移動自在となる。
また、本発明の第２の実施例は、上記の方法に限らない。
【００７７】
第１の実施例において説明した変形例と同様に、記憶形状を変え、それに応じて制御の方法を変えることで、固定軸１上を移動動作するものであれば、何でも良い。
【００７８】
また、本発明の第１の実施例、及び第２の実施例においては、コイルの巻き形状及び記憶させた形状が異なる３つの部位からなるＳＭＡコイルを用いたが、本発明はこの例に限らない。
【００７９】
コイルの巻き形状及び記憶させた形状が異なる、３つのＳＭＡコイルを用いるようにしても良い。
また、ＳＭＡコイルのようなコイル形状に限らない。例えば、実施例におけるＳＭＡコイルの伸縮移動部を一枚の板としても良く、更に両側の締付部を半円状の板としても良い。
【００８０】
また、アクチュエータの移動をガイドするものは、固定軸（断面が円、楕円、多角形等）に限らない。例えば、コの字状のレールをガイド部材とし、これにアクチュエータを内接するようにしても良い。
【００８１】
また、軸、あるいはレールの形状は、実施例のような直線状のものに限らない。アクチュエータが外接摺動して（あるいは、そうでなくても）移動可能な形状であれば、何でも良い。例えば、その一部あるいは全部が湾曲状に曲がっており、曲線状の経路を形成している軸、あるいはレールでもよい。あるいはドーナツ状の形状にして、アクチュエータがその円周状を周回して移動するようにしても良い。
【００８２】
更に、軸、あるいはレールによる経路を垂直方向に設定することもできる。この場合は、重力によりアクチュエータが落下しないように、常にアクチュエータがガイドに係止するように制御する（例えば、常にＳＭＡコイルの締付部の何れか一方が係止状態となるように制御する）ことが必要である。
【００８３】
また、実施例においては、形状記憶合金を用いて説明したが、他の形状記憶材料（プラスチック、セラミック）であっても、通電加熱以外の加熱方法にすることで用いることができる。また、例えば、形状記憶プラスチックに導電可能な金属粉を混ぜて通電可能となるように形成することで、通電加熱による加熱方法であっても用いることができる。
【００８４】
以上、詳細に説明した、本発明のガイド部材（軸、レール）にそって移動可能なアクチュエータ移動装置を応用することで、従来にはないＳＭＡの応用装置が可能になる。
【００８５】
例えば、軸、あるいはレール上を、荷物等を搬送する手段として用いられる。これは特に宇宙空間や原子炉等のように、人間が作業を行えない、あるいは作業することが危険な場所において、物資の搬送や、作業用ロボットの移動、あるいは作業動作等に有効に利用できる。すなわち、遠隔操作により、外部から電源スイッチのＯＮ、ＯＦＦという簡単な電気制御により動作を行わせることができるので、悪環境下での作業に最適に利用できる。
【００８６】
また、各種おもちゃ等にも用いることができる。
【００８７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、ＳＭＡを用いた小型軽量、簡単な構成で、かつ簡単な制御によって、所定の経路上を自在に移動できるアクチュエータ移動装置を提供することができる。
【００８８】
よって、このようなアクチュエータ移動装置を利用することで、従来は実現できなかったＳＭＡの応用装置を開発することが可能となる。
【００８９】
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】第１の実施例に係わるアクチュエータ移動装置の構成を示す側断面図である。（ａ）は通常時（低温時）の装置全体図、（ｂ）は高温時のＳＭＡコイル図である。
【００９１】
【図２】第１の実施例に係わるアクチュエータ移動装置の動作説明図である。
【００９２】
【図３】第１の実施例の変形例に係わるアクチュエータ移動装置の動作説明図である。
【００９３】
【図４】第２の実施例に係わるアクチュエータ移動装置の構成を示す側断面図である。（ａ）は装置全体図、（ｂ）は低温時のＳＭＡコイル図、（ｃ）は高温時のＳＭＡコイル図である。
【００９４】
【図５】第２の実施例に係わるアクチュエータ移動装置の動作説明図である。
【００９５】
【図６】従来のＳＭＡを利用した装置での、ＳＭＡの形状変化例を示す図である。
【００９６】
【符号の説明】
１ 固定軸
２ ＳＭＡコイル
２−ａ 締付部
２−ｂ 伸縮移動部
２−ｃ 締付部
３ バイアスバネ（圧縮バネ）
４ スリーブ
５、６、７、８ 電極
３２ ＳＭＡコイル
３２−ａ 締付部
３２−ｂ 伸縮移動部
３２−ｃ 締付部
３３ バイアスバネ（伸長バネ）
４２ ＳＭＡコイル
４２−ａ 締付部
４２−ｂ 伸縮移動部
４２−ｃ 締付部
４５、４６、４７、４８ 電極

Claims (8)

1. 所定の移動経路を形成するガイド手段と、該ガイド手段に係合して該ガイド手段に沿って移動可能なアクチュエータと、該アクチュエータを移動制御する移動制御手段とを備えるアクチュエータ移動装置であって、
   前記アクチュエータは、所定の温度を境にして前記ガイド手段に対して係止状態と摺動可能な係合状態とを取り得る形状記憶材料より成る第１、第２の係合部材と、該第１、第２の係合部材を連結するようにして設けられ、所定の温度以上で伸長あるいは短縮する形状記憶材料より成る連結部材と、該連結部材の所定の温度以上での伸縮状態を、所定の温度以下で逆の状態へと伸縮させる伸縮手段とから構成され、
   前記移動制御手段は、前記アクチュエータを前記各部材毎に所定タイミングで温度制御して移動させる構成からなることを特徴とするアクチュエータ移動装置。
2. 前記連結部材の形状記憶材料は、所定の温度以上で不可逆的に伸長あるいは短縮する一方向性形状記憶合金であり、前記第１、第２の係合部材の形状記憶材料は、所定の温度以上で不可逆的に径が収縮する一方向性形状記憶合金であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ移動装置。
3. 前記伸縮手段は、前記連結部材の形状記憶材料の所定温度以上での伸縮方向と逆方向に応力を加えるバイアスバネであることを特徴とする請求項２記載のアクチュエータ移動装置。
4. 所定の移動経路を形成するガイド手段と、該ガイド手段に係合して該ガイド手段に沿って移動可能なアクチュエータと、該アクチュエータを移動制御する移動制御手段とを備えるアクチュエータ移動装置であって、
   前記アクチュエータは、所定の温度を境にして前記ガイド手段に対して係止状態と摺動可能な係合状態とを取り得る形状記憶材料より成る第１、第２の係合部材と、該第１、第２の係合部材を連結するようにして設けられ、所定の温度を境にして伸縮する形状記憶材料より成る連結部材とから構成され、
   前記移動制御手段は、前記アクチュエータを前記各部材毎に所定タイミングで温度制御して移動させる構成からなることを特徴とするアクチュエータ移動装置。
5. 前記連結部材を成す形状記憶材料は、所定の温度を境にして可逆的に形状回復する二方向性形状記憶合金、あるいは全方位形状記憶合金であることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ移動装置。
6. 前記移動制御手段による温度制御は、前記形状記憶材料に通電して自己発熱させる電気制御であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５のいずれかに記載のアクチュエータ移動装置。
7. 前記ガイド手段は軸であり、前記第１、第２の係合部材、及び前記連結部材はコイルバネの形状であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６のいずれかに記載のアクチュエータ移動装置。
8. 所定の移動経路を形成するガイド手段と、該ガイド手段に係合して該ガイド手段に沿って移動可能なアクチュエータと、該アクチュエータを移動制御する移動制御手段とを備えるアクチュエータ移動装置の制御方法であって、
   該制御方法は、
   前記ガイド手段に対し摺動可能に係合されている形状記憶材料より成る第１の係合部材、第２の係合部材のいずれか一方を、所定の温度以上に加熱制御して前記ガイド手段に係止させる第１工程と、
   該第１工程から更に形状記憶材料より成る連結部材を所定の温度以上に加熱制御して、前記ガイド手段に係止させた係合部材を基点にして前記連結部材を伸長、あるいは短縮させることに伴い、摺動可能な状態にある前記係合部材の他方を前記ガイド手段に沿って摺動移動させる第２工程と、
   該第２工程から更に前記摺動移動させた係合部材を所定の温度以上に加熱制御して前記摺動移動させた位置に係止させるとともに、前記第１、第２工程で加熱制御した係合部材及び連結部材を所定の温度以下に冷却させることにより、該連結部材を伸縮が逆となるように短縮、あるいは伸長させることに伴い該冷却させた係合部材を前記ガイド手段に沿って摺動移動させる第３工程と、
   該第３工程において加熱制御した係合部材を所定の温度以下に冷却させることにより、前記第１工程の初期状態にする第４工程と、
   からなる一連の工程を順次行い、該一連の工程を繰り返すことにより、前記第１、第２の係合部材及び連結部材を有する前記アクチュエータを、前記ガイド手段に沿って自在に移動させることを特徴とするアクチュエータ移動制御方法。

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