特許 5747356 アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5747356

(24)【登録日】2015年5月22日

(45)【発行日】2015年7月15日

(54)【発明の名称】アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   F03G 7/06 20060101AFI20150625BHJP

【ＦＩ】

   F03G7/06 D

   F03G7/06 E

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-515813(P2012-515813)

(86)(22)【出願日】2011年5月2日

(86)【国際出願番号】JP2011060524

(87)【国際公開番号】WO2011145457

(87)【国際公開日】20111124

【審査請求日】2014年3月20日

(31)【優先権主張番号】特願2010-113734(P2010-113734)

(32)【優先日】2010年5月17日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504132881

【氏名又は名称】国立大学法人東京農工大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】佐久間 淳

(72)【発明者】

【氏名】楠見 紗代

【審査官】 瀬戸 康平

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭５８−９０３７９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭６４−６８２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１６５０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１９０１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−８３２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−４７２２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｇ ７／０６

Ｇ０５Ｄ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項3】

線状部材を有するアクチュエータであり、
前記線状部材に応力またはひずみを負荷する負荷手段と、前記線状部材を加熱する加熱手段とを有し、
前記線状部材は、超弾性合金製部材からなり、
前記超弾性合金製部材は、非加熱下の温度で維持した場合、また加熱後の温度で維持した場合、前記超弾性合金製部材の応力−ひずみ曲線がヒステリシス曲線を示し、
前記ヒステリシス曲線は、応力の増加過程で、勾配が急減するとともに勾配の変化率の絶対値が最大となる第１の変化率最大点を有し、かつ、応力の減少過程で、勾配が急減するとともに勾配の変化率の絶対値が最大となる第２の変化率最大点を有し、
前記負荷手段を用いて、前記超弾性合金製部材に所定の応力またはひずみを非加熱下で負荷し、
前記負荷を継続しながら前記加熱手段を用いて、前記超弾性合金製部材を第１の所定の温度まで加熱することにより、前記超弾性合金製部材を収縮させ、また、前記超弾性合金製部材を第２の所定の温度まで冷却することにより、前記超弾性合金製部材を伸長させ、
前記所定の応力またはひずみは、非加熱下の温度で維持した場合のヒステリシス曲線の第１の変化率最大点における応力またはひずみよりもそれぞれ大きい応力またはひずみであり、
前記第１の所定の温度は、ヒステリシス曲線が上方にシフトすることにより、前記所定の応力またはひずみが、前記第１の所定の温度で維持した場合のヒステリシス曲線の第２の変化率最大点における応力またはひずみよりもそれぞれ小さくなる温度であり、
前記第２の所定の温度は、ヒステリシス曲線が下方にシフトすることにより、前記所定の応力またはひずみが、前記第２の所定の温度で維持した場合のヒステリシス曲線の第１の変化率最大点における応力またはひずみよりもそれぞれ大きくなる温度である
ことを特徴とするアクチュエータ。

【請求項4】

線状の複数の超弾性合金製部材を有するアクチュエータであり、
前記複数の前記超弾性合金製部材を加熱する加熱手段を有し、
可動部材を介して、または固定部材の可動部を介して、前記複数の前記超弾性合金製部材は、互いに引き合い、
前記超弾性合金製部材は、非加熱下の温度で維持した場合、また加熱後の温度で維持した場合、前記超弾性合金製部材の応力−ひずみ曲線がヒステリシス曲線を示し、
前記ヒステリシス曲線は、応力の増加過程で、勾配が急減するとともに勾配の変化率の絶対値が最大となる第１の変化率最大点を有し、かつ、応力の減少過程で、勾配が急減するとともに勾配の変化率の絶対値が最大となる第２の変化率最大点を有し、
少なくとも１つの前記超弾性合金製部材は、所定の応力またはひずみが非加熱下で負荷され、前記負荷を継続した状態で、前記加熱手段により第１の所定の温度まで加熱され収縮し、また、第２の所定の温度まで冷却され伸長し、
前記所定の応力またはひずみは、非加熱下の温度で維持した場合のヒステリシス曲線の第１の変化率最大点における応力またはひずみよりもそれぞれ大きい応力またはひずみであり、
前記第１の所定の温度は、ヒステリシス曲線が上方にシフトすることにより、前記所定の応力またはひずみが、前記第１の所定の温度で維持した場合のヒステリシス曲線の第２の変化率最大点における応力またはひずみよりもそれぞれ小さくなる温度であり、
前記第２の所定の温度は、ヒステリシス曲線が下方にシフトすることにより、前記所定の応力またはひずみが、前記第２の所定の温度で維持した場合のヒステリシス曲線の第１の変化率最大点における応力またはひずみよりもそれぞれ大きくなる温度である
ことを特徴とするアクチュエータ。

【請求項5】

線状の２つの超弾性合金製部材を有するアクチュエータであり、
前記２つの前記超弾性合金製部材を加熱する加熱手段を有し、
可動部材を介して、前記２つの前記超弾性合金製部材は、互いに引き合い、
前記超弾性合金製部材は、非加熱下の温度で維持した場合、また加熱後の温度で維持した場合、前記超弾性合金製部材の応力−ひずみ曲線がヒステリシス曲線を示し、
前記ヒステリシス曲線は、応力の増加過程で、勾配が急減するとともに勾配の変化率の絶対値が最大となる第１の変化率最大点を有し、かつ、応力の減少過程で、勾配が急減するとともに勾配の変化率の絶対値が最大となる第２の変化率最大点を有し、
１つの前記超弾性合金製部材は、所定の応力またはひずみが非加熱下で負荷され、前記負荷を継続した状態で、前記加熱手段により第１の所定の温度まで加熱され収縮し、また、第２の所定の温度まで冷却され伸長し、
前記所定の応力またはひずみは、非加熱下の温度で維持した場合のヒステリシス曲線の第１の変化率最大点における応力またはひずみよりもそれぞれ大きい応力またはひずみであり、
前記第１の所定の温度は、ヒステリシス曲線が上方にシフトすることにより、前記所定の応力またはひずみが、前記第１の所定の温度で維持した場合のヒステリシス曲線の第２の変化率最大点における応力またはひずみよりもそれぞれ小さくなる温度であり、
前記第２の所定の温度は、ヒステリシス曲線が下方にシフトすることにより、前記所定の応力またはひずみが、前記第２の所定の温度で維持した場合のヒステリシス曲線の第１の変化率最大点における応力またはひずみよりもそれぞれ大きくなる温度である
ことを特徴とするアクチュエータ。

【請求項8】

超弾性合金製部材の材質はＴｉ−Ｎｉ合金であり、
前記超弾性合金製部材の加熱温度は２１〜４７℃の範囲内にある
ことを特徴とする請求項３〜５のいずれかの請求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、超弾性材料を用いたアクチュエータに関する。

【背景技術】

【0002】

様々な機構のアクチュエータとして利用できる材料の能動変形は、特に形状記憶合金による多くの応用・実用例がある。これらで広く利用されるＴｉ−Ｎｉ系合金などの形状記憶効果は、負荷された残留変形が加熱によって元に回復する性質で優れているが、能動変形に２方向性を持たせる２方向形状記憶についても用途を広げる目的で研究されている。例えば、特許文献１には、２方向形状記憶効果が得られるＴｉ−Ｎｉ系形状記憶合金ワイヤの製造方法が開示されている。すなわち、Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金ワイヤの冷間伸線加工を制御することにより形状記憶効果によって回復できるひずみ量を超える領域まで合金を変形することにより、２方向性が要求される部位に用いるための形状記憶効果を作り出す。具体的には、溶解鋳造、熱間加工、スエージング、中間焼鈍と冷間加工を経るＴｉ−Ｎｉ系形状記憶合金ワイヤの製造方法において、最後の冷間加工量（最終回の中間焼鈍し以後の加工量）を所定％にした後、逆変態終了温度以上の温度で短時間熱処理する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許３７５５０３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した従来のＴｉ−Ｎｉ系形状記憶合金ワイヤをアクチュエータに用いた場合、加熱温度が高く、耐久性が低いという課題がある。また、２方向形状記憶効果を得るためには、Ｔｉ−Ｎｉ系合金などの製造方法・組成調整が複雑であるという課題がある。一方、超弾性合金は、同種の形状記憶合金よりも熱・力学的に高い変態温度・変態応力を持つもので、負荷された変形が除荷によって元に回復する性質を有しており、その安定した性質や優れた疲労寿命からも工業的に形状記憶合金より用途が多い。しかし、超弾性合金の能動変形に関しては、形状記憶合金と同種でありながら、その特性に着目して熱・力学的な評価は過去において実施されていない。また、アクチュエータ用の材料として、超弾性合金を使用する検討はまだなされていない。

【0005】

本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、その目的は、加熱温度が低く、耐久性が高く、組成調整が不要な超弾性材料を用いたアクチュエータを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的達成のため、本発明のアクチュエータでは、一方向および他方向の２方向に動作可能な可動部材と、超弾性合金でなり、前記可動部材に前記２方向に夫々延在するように、且つ同一の張力を持たせて取付けられた一対の線状部材と、を備え、前記可動部材を中立位置から前記一方向側の所定位置に静止させるために、前記可動部材に前記一方向に負荷した後に除荷し、前記可動部材を前記一方向側の所定位置から前記中立位置に戻すために、前記可動部材に前記他方向に負荷した後に除荷することを特徴としている。

【0007】

また、上記アクチュエータにおいて、前記可動部材を中立位置から前記一方向側の所定位置に静止させるために、前記一方向側の前記線状部材を加熱した後に冷却し、前記可動部材を前記一方向側の所定位置から前記中立位置に戻すために、前記他方向側の前記線状部材を加熱した後に冷却することを特徴としている。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、加熱温度が低く、耐久性が高く、組成調整が不要な超弾性材料を用いたアクチュエータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明のアクチュエータに用いる超弾性材料の応力−ひずみ曲線を示す図である。

【図2】比較例として形状記憶合金の応力−ひずみ曲線を示す図である。

【図3】形状記憶合金の回復機構を示す図である。

【図4】超弾性材料の加熱による応力−ひずみ曲線の変化を示す図である。

【図5】超弾性材料の一定応力で収縮するメカニクスを示す図である。

【図6】超弾性材料の一定ひずみで荷重値が上昇するメカニクスを示す図である。

【図7】予応力一定のときの超弾性材料の温度−ひずみ曲線を測定する装置を示す図である。

【図8】図７の装置において測定した温度−ひずみ曲線を示す図である。

【図9】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の実施形態のアクチュエータの第１の動作を説明するための図である。

【図10】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は比較例のアクチュエータの第１の動作を説明するための図である。

【図11】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の実施形態のアクチュエータの第２の動作を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0011】

本発明のアクチュエータに使用される超弾性合金は、負荷過程においてオーステナイトからマルテンサイトへ相変態する挙動によって大きなひずみが生じ、この生じたひずみが除荷過程ではマルテンサイトからオーステナイトへ戻る逆変態のため、除荷後には負荷前の状態へ回復する変形特性を有している。この超弾性合金の負荷および除荷の過程の変形挙動を模式的に応力−ひずみ曲線で表すと、図１のようになる。この図１の応力−ひずみ曲線に関して、この特徴の１つはオーステナイト相とマルテンサイト相との間の変態によって形成されるヒステリシスであるが、図２のようなオーステナイトへの逆変態が生じないヒステリシスである場合は除荷後に大きなひずみが残留する。

【0012】

大きなひずみが残留する図２の除荷後において、この状態に熱を加えたことによる温度上昇が応力−ひずみ曲線のヒステリシスの変化を引き起こす場合、この加熱によって材料は能動的に変形する。特に、図３のようにオーステナイトへの逆変態が生じるヒステリシスへ応力−ひずみ曲線が変化すると、除荷後に残留していた大きなひずみが負荷前の状態へ回復することとなる。形状記憶合金は、この様に加熱によって残留ひずみが元に戻る特性を利用したものである。

【0013】

図１の超弾性的な挙動と図２の形状記憶的な挙動については、同種ながらオーステナイト相とマルテンサイト相との間の変態が生じる応力値が異なる変形である。ここで、形状記憶合金では加熱が図３で示したような応力−ひずみ曲線の変化を引き起こす事で残留ひずみの元の状態への回復を説明できるが、この曲線の変化が超弾性合金でも生じるのであれば、それを利用する事によっては能動的な変形も観察できることとなる。そこでここでは、加熱によって超弾性合金の応力−ひずみ曲線が形状記憶合金と同様に図４のような変化をすると考え、この変化によって生じ得る能動変形の評価方法を考える。

【0014】

図１の応力−ひずみ曲線のような変形挙動を示す超弾性合金に対して、図５の様にマルテンサイトへ相変態するまで応力σｓを負荷し、この応力σｓが加熱によっても一定で変化しない場合を考える。このとき、負荷によって加熱前に生じていたひずみεｓ_０は、応力−ひずみ曲線が加熱によって図４のように変化するならば、予め負荷されていた応力σｓに対応するひずみεｓ_１へ変化する。したがって、応力σｓがマルテンサイトへ相変態するまで負荷された上で維持された条件での加熱によっては、超弾性合金はひずみεｓ_０からεｓ_１へ収縮する変形挙動を呈する。

【0015】

マルテンサイトへ相変態するまでひずみεｅを超弾性合金に与え、このひずみεｅが加熱によっても一定で変化しない図６の場合を考える。このとき、予ひずみεｅによって加熱前に生じる応力σｅ_０は、図４に示す応力−ひずみ曲線の変化に起因して、加熱によってオーステナイトへ相逆変態が生じると応力σｅ_１へ変化する。したがって、予ひずみεｅがマルテンサイトへ相変態するまで与えられて保たれた条件において、さらにオーステナイトへ相逆変態が生じるまで加熱すると、超弾性合金は応力がσｅ_０からσｅ１へ変化する挙動を示すと考えられる。

【0016】

以上のことから、予めマルテンサイトへ相変態するまで応力やひずみが負荷された条件において、さらにオーステナイトへ相逆変態が生じるまで加熱された場合には、超弾性合金においても能動的な変形が生じると考えられる。この事を確認するため、超弾性ワイヤを対象として予応力一定条件における加熱による能動変形の挙動観察を実施したので以下に説明する。

【0017】

予応力一定条件のワイヤと対象とする図７に示す装置を用いて設定し、超弾性合金の加熱による能動変形を観察する。この装置２０は、試料となる鉛直方向に配置された線材２１の上端をピンバイス２２で固定し、下端は錘２３を乗せるカゴ２４の上部にボルト２５で固定する。線材２１には、超弾性合金線（（株）ニラコ社製、＃９４７３６５、線径０．３０ｍｍ）を用いる。超弾性合金線の材質はＴｉ−Ｎｉ系合金である。ここで、カゴ２４に乗せる錘２３の重量Ｗを変えることで予応力条件を変更するが、この上部には線材２１の伸びをレーザー変位計（（株）キーエンス社製、ＬＢ−０２（分解能２μｍ））２６で計測するためのケント紙製ターゲット２７も設けている。加熱に関しては、直流電源装置（（株）高砂製作所社製、ＫＸ−２１０Ｌ（出力電圧６０Ｖ、出力電流１４Ａ））２８を用いて、金メッキを施したみの虫クリップで所定の線材２１の加熱距離を通電して実施する。

【0018】

なお、加熱距離を本実施例では２５０ｍｍとしている。また線材２１の温度計測については、温度変化に対する影響を少なくする目的で金属や樹脂に比べて熱容量の小さいケント紙および紙テープを用いながら、Ｋ型熱電対（線径０．２ｍｍ、球径約０．６ｍｍ）２９を線材２１に対して垂直に加熱距離の中央部で点接触させた上で実施する。ここで計測した線材２１の温度に関しては、オペアンプ３０を用いた増幅回路を介して試料の伸びと共にＬｏｇｇｅｒ（英Ｐｉｃｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製、ＰｉｃｏＳｃａｐｅ３２２４（１２ｂｉｔ、２ｃｈ、２０ＭＨｚ））３１へ取り込み、さらにこれらデータをＰＣ３２で記録する。

【0019】

また実験は、予応力の条件毎に通電による加熱・冷却過程での線材２１の温度を計測し、これを伸びの履歴により変形挙動を評価する。この加熱に用いた条件を表１に示す。この表１で示す電圧Ｖの値は、直流電源装置２８の設定値であるが、所定温度に達する迄の時間が予応力が小さい場合は比較的短かったのに対して大きい場合は長かったため、予応力が大きい場合には小さい場合より大きな設定としている。これらの差異は、予応力が小さい場合の組織が抵抗率の大きいオーステナイト相、大きい場合は抵抗率が小さなマルテンサイト相になっているためと考えることができる。なお、所定温度は４６°Ｃとした上で、これに達した事を熱電対のデータで確認した際に直流電源装置２８から電圧の供給を止め、ここから自然冷却過程も併せて線材２１の変形挙動を観察する。この時、室温は約２１°Ｃであって、加熱時間はおよそ１５秒から３０秒、および冷却に要する時間は１２０秒程度であった。

【表1】

【0020】

上述の実験条件によって超弾性ワイヤを加熱・冷却する過程において、その温度と伸びの予応力毎の履歴を図８に示す。特にここでは、予応力を与えた際の公称ひずみを縦軸として表記している。これを観ると、加熱による僅かな伸びが観察できる予応力が小さな条件に対して、予応力が４０Ｎの条件では加熱直後から収縮が発生しており、これが加熱温度が３５℃まで達した時点で公称ひずみ−０．０４５まで達している。この収縮量は、このまま加熱温度が４５℃まで到達しても増加量は少ないが、電圧の供給を止めて冷却過程に入った直後からは収縮が元に戻る挙動となっている。

【0021】

さらに５０Ｎの予応力条件では、４０Ｎの条件と同様に加熱直後から収縮が発生するが、収縮量そのものは４０Ｎの場合より小さな−０．０１５程度の公称ひずみまでとなっている。冷却過程に関しては、４０Ｎの条件と同様に冷却開始直後から元に戻る挙動が観察された。また６０Ｎの予応力条件では、加熱直後から収縮し始めるものの４０Ｎや５０Ｎの場合と比べて変化は小さい一方で、冷却過程に関しては冷却開始直後から同様の元に戻る挙動が観察されている。これら４０Ｎから６０Ｎまでの実験においては、最終的なひずみに差が出ているが、今回の実験ではこれらに定性的な結果は観察されなかった。

【0022】

以上の結果から、予応力条件下にある超弾性ワイヤの加熱による変形挙動に関しては、予応力が小さい条件では金属で一般的に観られる熱ひずみによる伸びが観られるものの、予応力が大きい条件では加熱によって大きな収縮が発生する。ただし、より予応力が大きい条件では加熱による収縮量が小さくなる場合もあることから、予応力条件と加熱による収縮量とには複雑な相関性があると考えられる。

【0023】

上述の能動変形のメカニクスを基にして、超弾性ワイヤをアクチュエータとして用いた場合の特徴としては、張力を持たせた状態において、加熱により収縮、冷却により伸長する２方向性を有するアクチュエータとなり、張力条件下で逆変態が生じることから、ワイヤ等の線材の２方向性アクチュエータとして利用できる。また、本来の超弾性効果により、柔軟性を併せ持つアクチュエータを実現できる。また、金属系の材料であるため、高分子系やイオン系アクチュエータより大きな力を発生させることができる。

【0024】

図９に示すように、本実施形態のアクチュエータ１は、支柱２と、可動部材としてのレバー３と、一対の線状部材としてのワイヤ４ａ，４ｂとを備えている。支柱２は、金属材料もしくはプラスチック材料等でなり、床面５に立設されている。レバー３は、金属材料もしくはプラスチック材料等でなり、棒状の操作部３ａと、この操作部３ａの端部に一体的に設けられた円盤状の回転部３ｂとを有している。そして、レバー３は、回転部３ｂの中心が支柱２の上端に回転自在に取り付けられており、一方向として時計回りおよび他方向として反時計回りの２方向に回転動作可能となっている。

【0025】

一対のワイヤ４ａ，４ｂは、Ｔｉ−Ｎｉ超弾性合金でなり、レバー３に２方向に夫々延在するように、且つ同一の張力を持たせて取付けられている。すなわち、一方向側のワイヤ４ａは、一端が回転部３ｂの円周上の図示右側の点Ｐａに固定され、他端が点Ｐａから垂直下方の床面５上の点Ｑａに固定され、他方向側のワイヤ４ｂは、一端が回転部３ｂの円周上の図示左側の点Ｐｂに固定され、他端が点Ｐｂから垂直下方の床面５上の点Ｑｂに固定されている。また、図１０に示すように、比較例のアクチュエータ１０は、図９に示す本実施形態のアクチュエータ１と比較して、一対のワイヤ１４ａ，１４ｂが形状記憶合金でなる点以外は同一の構成であり、同一構成は同一番号を付して詳細な説明は省略する。

【0026】

このような構成の本実施形態のアクチュエータ１の第１の動作について説明する。図９（Ａ）に示すように、初期状態においては、一対のワイヤ４ａ，４ｂには共に、引張応力σ_０が掛かっており、ひずみε_０が生じているとする。すなわち、一定の引張応力σ_０下でひずみεが変化する範囲において略中間のひずみε_０が生じているとする。このとき、レバー３は、操作部３ａが垂直上方を向いた中立位置Ｃに静止している。

【0027】

そして、図９（Ｂ）に示すように、レバー３の操作部３ａの先端に時計回りの負荷Ｆを掛けると、レバー３の回転部３ｂが時計回りに回転するため、一方向側のワイヤ４ａは収縮し、他方向側のワイヤ４ｂは伸長する。よって、一方向側のワイヤ４ａのひずみεは初期のひずみε_０よりも小さいひずみε_１に変化するため、一方向側のワイヤ４ａの引張応力σは初期の引張応力σ_０より小さい引張応力σ_１に変化する。すなわち、引張応力σの増減に伴ってひずみεも増減する範囲においてひずみε_１に対応した引張応力σ_１に変化する。

【0028】

一方、他方向側のワイヤ４ｂのひずみεは初期のひずみε_０よりも大きいひずみε_２に変化するが、他方向側のワイヤ４ｂの引張応力σは初期の引張応力σ_０と同一の引張応力σ_０のままとする。すなわち、一定の引張応力σ_０下でひずみεが変化する範囲において最大のひずみε_２が生じているとする。このとき、引張応力σ_０と引張応力σ_１との差が負荷Ｆによる応力となる。

【0029】

そして、図９（Ｃ）に示すように、レバー３の操作部３ａの先端に掛けた負荷Ｆを除荷すると、一方向側のワイヤ４ａは伸長し、他方向側のワイヤ４ｂは収縮し、レバー３の回転部３ｂが反時計回りに回転する。よって、一方向側のワイヤ４ａのひずみεは負荷時のひずみε_１よりも大きいひずみε₃に変化するため、一方向側のワイヤ４ａの引張応力σは負荷時の引張応力σ_１より大きい引張応力σ₃となる。すなわち、引張応力σの増減に伴ってひずみεも増減する範囲においてひずみε₃に対応した引張応力σ₃となる。

【0030】

一方、他方向側のワイヤ４ｂのひずみεは負荷時のひずみε_２よりも小さいひずみε₄に変化するため、他方向側のワイヤ４ｂの引張応力σは負荷時の引張応力σ_０より小さい引張応力σ₄となる。すなわち、引張応力σの増減に伴ってひずみεも増減する範囲においてひずみε₄に対応した引張応力σ₄となる。このとき、引張応力σ₃と引張応力σ₄とは同一である。

【0031】

よって、レバー３の操作部３ａは中立位置Ｃまでは戻らず途中の一方向側の所定位置Ｃａに静止することになる。なお、レバー３の操作部３ａを一方向側の所定位置Ｃａから中立位置Ｃに戻すためには、レバー３の操作部３ａに反時計回りの負荷を掛けた後に該負荷を除荷すればよい。以上より、超弾性合金でなるワイヤ４ａ，４ｂは、負荷・除荷により繰り返し駆動が必要なアクチュエータ１に対し使用することができる。

【0032】

これに対し、比較例のアクチュエータ１０の第１の動作について説明する。図１０（Ａ）に示すように、初期状態においては、一対のワイヤ１４ａ，１４ｂには共に、引張応力σ_１０が掛かっており、ひずみε_１０が生じているとする。すなわち、一定の引張応力σ_１０下でひずみεが変化する範囲において略中間のひずみε_１０が生じているとする。このとき、レバー３は、操作部３ａが垂直上方を向いた中立位置Ｃに静止している。

【0033】

そして、図１０（Ｂ）に示すように、レバー３の操作部３ａの先端に時計回りの負荷Ｆを掛けると、レバー３の回転部３ｂが時計回りに回転するため、一方向側のワイヤ１４ａは収縮し、他方向側のワイヤ１４ｂは伸長する。よって、一方向側のワイヤ１４ａのひずみεは初期のひずみε_１０よりも小さいひずみε_１１に変化するため、一方向側のワイヤ１４ａの引張応力σは略０に変化する。すなわち、略０の引張応力下でひずみεが変化する範囲において小さいひずみε_１１が生じている。一方、他方向側のワイヤ１４ｂのひずみεは初期のひずみε_１０よりも大きいひずみε_１２に変化するが、他方向側のワイヤ１４ｂの引張応力σは初期の引張応力σ_１０と同一の引張応力σ_１０のままとなる。すなわち、一定の引張応力σ_１０下でひずみεが変化する範囲において最大のひずみε_１２が生じている。

【0034】

そして、図１０（Ｃ）に示すように、レバー３の操作部３ａの先端に掛けた負荷Ｆを除荷すると、一方向側のワイヤ１４ａは伸長し、他方向側のワイヤ１４ｂは収縮し、レバー３の回転部３ｂが反時計回りに回転する。よって、一方向側のワイヤ１４ａのひずみεは負荷時のひずみε_１１よりも大きいひずみε_１3に変化するが、一方向側のワイヤ１４ａの引張応力σは負荷時の引張応力と同一の略０のままとなる。すなわち、略０の引張応力下でひずみεが変化する範囲においてひずみε_１3に対応した略０の引張応力となる。

【0035】

一方、他方向側のワイヤ１４ｂのひずみεは負荷時のひずみε_１２よりも小さいひずみε_１4に変化するため、他方向側のワイヤ１４ｂの引張応力も略０となる。すなわち、略０の引張応力下でひずみεが変化する範囲においてひずみε_１4に対応した略０の引張応力となる。この結果、一方向側のワイヤ１４ａには弛みが生じることになる。よって、形状記憶合金でなるワイヤ１４ａ，１４ｂは、負荷・除荷により繰り返し駆動が必要なアクチュエータ１０に対し原理的に使用することができない。

【0036】

次に、本実施形態のアクチュエータ１の第２の動作について説明する。図１１（Ａ）に示すように、初期状態においては、一対のワイヤ４ａ，４ｂには共に、引張応力σ_０が掛かっており、ひずみε_０が生じているとする。すなわち、一定の引張応力σ_０下でひずみεが変化する範囲において略中間のひずみε_０が生じているとする。このとき、レバー３は、操作部３ａが垂直上方を向いた中立位置Ｃに静止している。

【0037】

そして、図１１（Ｂ）に示すように、一方向側のワイヤ４ａを加熱すると、一方向側のワイヤ４ａのヒステリシス曲線は上方にシフトするため、一方向側のワイヤ４ａの引張応力σは初期の引張応力σ_０と同一の引張応力σ_０のままで、一方向側のワイヤ４ａのひずみεは初期のひずみε_０よりも小さいひずみε₅に変化する。すなわち、引張応力σ_０のまま、一方向側のワイヤ４ａは収縮する。一方、一方向側のワイヤ４ａの収縮により、他方向側のワイヤ４ｂは引っ張られる。他方向側のワイヤ４ｂのひずみεは初期のひずみε_０よりも大きいひずみε_２に変化するが、他方向側のワイヤ４ｂの引張応力σは初期の引張応力σ_０と同一の引張応力σ_０のままとなる。すなわち、一定の引張応力σ_０下でひずみεが変化する範囲において最大のひずみε_２が生じている。一方向側のワイヤ４ａが収縮し、他方向側のワイヤ４ｂが伸長するので、レバー３の回転部３ｂが時計回りに回転し、レバー３の操作部３ａの先端も時計回りに回転する。

【0038】

そして、図１１（Ｃ）に示すように、一方向側のワイヤ４ａを冷却すると、一方向側のワイヤ４ａのヒステリシス曲線は下方にシフトするが、一対のワイヤ４ａ，４ｂはそのままの状態を維持するので、レバー３の回転部３ｂは時計回りに回転した状態を維持することになり、レバー３の操作部３ａは一方向側の所定位置Ｃｂに静止することになる。なお、レバー３の操作部３ａを一方向側の所定位置Ｃｂから中立位置Ｃに戻すためには、他方向側のワイヤ４ｂを加熱すればよい。

【0039】

よって、超弾性合金でなるワイヤ４ａ，４ｂは、加熱・冷却により繰り返し駆動が必要なアクチュエータ１に対し原理的に使用することができる。なお、比較例のアクチュエータ１０においては、上述の第２の動作の場合は同様に動作するので、形状記憶合金でなるワイヤ１４ａ，１４ｂは、加熱・冷却により繰り返し駆動が必要なアクチュエータ１０に対し原理的に使用することができる。しかし、超弾性合金でなるワイヤ４ａ，４ｂは加熱温度が低く、耐久性が高く、組成調整が不要であるのに対して、形状記憶合金でなるワイヤ１４ａ，１４ｂは加熱温度が高く、耐久性が低く、製造方法・組成調整が必要となるという欠点がある。

【0040】

超弾性合金の材質としては、Ｔｉ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などを採用することができる。

【0041】

アクチュエータの構造としては上述した構造に限定されない。このほか、アクチュエータの構造としては、移動体の両側に一対のワイヤを張って移動体を直線状に往復移動させ、あるいは支柱の元端部を床面に固定し支柱の先端部の両側に一対のワイヤを張って支柱の先端部を曲げ、あるいは丸棒の元端部を壁面に固定し先端部の周面両側に一対のワイヤを張って丸棒の先端部をねじるように構成してもよい。また、他方向側にバネなどを採用し、一方向の超弾性ワイヤで構成することもできる。

【0042】

超弾性合金の加熱温度は０〜３００℃の範囲内にあることが好ましい。加熱温度が０℃以上であると、水冷できるという利点がある。加熱温度が３００℃以下であると、大気中で酸化を防げるという利点がある。

【符号の説明】

【0043】

１，１０ アクチュエータ、２ 支柱、３ レバー、３ａ 操作部、３ｂ 回転部、４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ ワイヤ、５ 床面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】