特許7321103形状記憶合金ワイヤおよび相変化材料粒子を有するコーティングを含むアクチュエータアセンブリ
(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】
(24)【登録日】2023-07-27
(45)【発行日】2023-08-04
(54)【発明の名称】形状記憶合金ワイヤおよび相変化材料粒子を有するコーティングを含むアクチュエータアセンブリ
(51)【国際特許分類】
F03G 7/06 20060101AFI20230728BHJP
【ＦＩ】
F03G7/06 D
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2019570015
(86)(22)【出願日】2018-06-29
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-08-27
(86)【国際出願番号】 IB2018054853
(87)【国際公開番号】W WO2019003198
(87)【国際公開日】2019-01-03
【審査請求日】2021-05-24
(31)【優先権主張番号】102017000073563
(32)【優先日】2017-06-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】511020829
【氏名又は名称】サエス・ゲッターズ・エッセ・ピ・ア
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】マルコ・チトロ
(72)【発明者】
【氏名】ダヴィデ・フリジェリオ
【審査官】家喜 健太
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１１／００８３４３１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００４－３０１２２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１２９９４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１－１９３６７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０９８２４１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０３Ｇ ７／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
形状記憶合金ワイヤで作られたコアと、前記コアの少なくとも一部に適用されたまたは形成された電気絶縁材料で作られたコーティングとを含み、前記コーティングには相変化材料（ＰＣＭ）粒子が分布し、
コーティング中に分散された相変化材料粒子の重量と、コーティングが適用されたまたは形成された形状記憶合金ワイヤ部分の重量との間の比が７から１６の間であることを特徴とする、アクチュエータアセンブリ。
【請求項2】
前記コーティングが、形状記憶合金ワイヤの長さの少なくとも８０％に適用されているまたは形成されている、請求項１に記載のアクチュエータアセンブリ。
【請求項3】
形状記憶合金ワイヤの直径が、０．１ｍｍから０．８ｍｍの間である、請求項１または２に記載のアクチュエータアセンブリ。
【請求項4】
コーティングの厚さが、０．１ｍｍから３ｍｍの間である、請求項１から３の何れか一項に記載のアクチュエータアセンブリ。
【請求項5】
形状記憶合金ワイヤが、Ｎｉ－Ｔｉ系合金で作られている、請求項１から４の何れか一項に記載のアクチュエータアセンブリ。
【請求項6】
前記コーティング材料が、プラスチックおよび熱可塑性ポリマー材料、熱硬化性ポリマー材料、樹脂、およびシリコーンから選択される、請求項１から５の何れか一項に記載のアクチュエータアセンブリ。
【請求項7】
前記相変化材料粒子が、有機または無機化合物、脂肪酸、エステル、塩、水和物またはワックス、好ましくはパラフィンワックスで作られている、請求項１から６の何れか一項に記載のアクチュエータアセンブリ。
【請求項8】
請求項１から７の何れか一項に記載の１つ以上のアクチュエータアセンブリを備える能動システム。
【請求項9】
前記能動システムが、能動織物である、請求項８に記載の能動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤの熱処理の改善に関する。
【背景技術】
【0002】
アクチュエータの一部としての形状記憶合金ワイヤおよびアクチュエータシステムの使用については、例えばマイクロモーターなど、技術的に同等な解決方法と比較して、それらの簡便性、多くのデバイスにおける一体化の容易性、およびコストが低いことに起因して、さらにその真価が認められている。
【0003】
形状記憶合金ワイヤを採用するアクチュエータアセンブリおよびアクチュエータシステムは、従来技術において知られている。本出願人による国際公開第２０１６／１５６２８３号は、例えば、緊急用アクチュエータを有するロックに関する。本出願人による欧州特許第２６１５９５１号明細書は、複数の飲料の自動販売機に取り付けられたバルブのためのアクチュエータシステムを記載する。本出願人による欧州特許第２１７１１８３号明細書は、作動温度の範囲が広がったアクチュエータを記載する。国際公開第２０１５／１５０３７７号は、家庭用機器におけるアクチュエータ要素を記載する。
【0004】
上述の特許刊行物は、如何に形状記憶合金ワイヤの特徴を上手く利用するか、特にジュール効果により加熱されたときに、マルテンサイト系微細構造からオーステナイト系微細構造への相転移により力を生じるそれらの性能を教示する、多くの他の文献の中のいくつかの例に過ぎない。上記例において、形状記憶合金ワイヤは、直線状の構成で配置され、ワイヤの線形の短縮の結果として力が生じる。米国特許第９０６８５６１号明細書に記載されるものなど、他の例および用途が存在し、らせん状に巻かれるように形状記憶合金ワイヤを配置する可能性が想定される。
【0005】
他の用途は、ボディマッサージ機に関する国際公開第２０１６／１５３９１７号、または船の帆を制御および調整する手段としてのＳＭＡワイヤの使用を教示する欧州特許第２７８２８２４号明細書において開示されるように、布または織物中に組み込まれる特定のパターンに従って配置される複数のＳＭＡワイヤの使用を想定する。
【0006】
頻繁に作動される形状記憶合金ワイヤに基づくアクチュエータシステムは、ワイヤの熱処理を必要とする。実は、熱はそれぞれの作動サイクルにおいて生成され、経時的にＳＭＡワイヤアクチュエータまたはアクチュエータシステムの動作を維持するために、残留する熱は適切に管理されなくてはならない。米国特許第９０６８５６１号明細書は、熱伝導体である電気絶縁性コーティングを用いて残留する熱を如何に管理するかを教示する。米国特許第６８３５０８３号明細書は、それぞれの作動サイクルの後冷却を改善することを可能にする封入シースを有する形状記憶合金ワイヤを記載する。
【0007】
相変化材料（ＰＣＭ）を使用することによるＳＭＡワイヤを採用するアクチュエータの熱処理も知られており、これは吸収特性を示し、例えば固体と液体との間の相転移を生じたとき、大量の熱を放出する。米国特許第８７３９５２５号明細書は、如何にこのような材料を使用し得るかの例を記載する。ＰＣＭビーズは、例えば、ＳＭＡワイヤ上のコーティングとして適用される熱伝導性ポリマーマトリックス内に分散され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】国際公開第２０１６／１５６２８３号
【文献】欧州特許第２６１５９５１号明細書
【文献】欧州特許第２１７１１８３号明細書
【文献】国際公開第２０１５／１５０３７７号
【文献】米国特許第９０６８５６１号明細書
【文献】国際公開第２０１６／１５３９１７号
【文献】欧州特許第２７８２８２４号明細書
【文献】米国特許第６８３５０８３号明細書
【文献】米国特許第８７３９５２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
ＳＭＡワイヤを採用するアクチュエータおよびアクチュエータシステムの多くの例における有効性にもかかわらず、ＳＭＡワイヤの熱処理に関する限り、改善された解決方法を見つける必要性が未だ存在し、これが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の第１の態様は、形状記憶合金ワイヤで作られたコア、および前記形状記憶合金ワイヤの少なくとも一部に適用されるコーティングを有するアクチュエータ要素であり、コーティングは相変化材料（ＰＣＭ）の粒子を含み、コーティング中に分散されたまたは分布した相変化材料粒子の重量と、コーティングが適用されたまたは形成された形状記憶合金ワイヤ部分の重量との間の比が１から３０の間であることを特徴とする。
【0011】
重量比は、アクチュエータ要素のＳＭＡワイヤのコーティングされた部分を参照するが、これは、ＳＭＡワイヤの動作を可能にする電源へのその接続を可能にするために、その一端または両端がコーティングされていない場合があるからである。
【0012】
本発明の好ましい実施形態によれば、形状記憶合金ワイヤの長さの少なくとも８０％は、ＰＣＭ粒子を含むコーティングによって覆われる。
【0013】
本発明は、添付の図面を用いてさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】図１Ａは、従来技術によるアクチュエータシステムの写真であり、コーティングされていない形状記憶合金ワイヤが布に埋め込まれている。図１Ｂは、従来技術によるアクチュエータシステムの写真であり、ＰＣＭ粒子を持たないコーティングを有する形状記憶合金ワイヤが布に埋め込まれている。
【図1C】本発明によるアクチュエータシステムの写真であり、形状記憶合金ワイヤはＰＣＭ粒子が分散しているコーティングを有する。
【図2】図２－７は、それぞれ従来技術および本発明によるＳＭＡワイヤアクチュエータアセンブリのサンプルの実験的なキャラクタリゼーションの図であり、アセンブリがその後の活性化サイクルを受けるとき、各々のＳＭＡワイヤのストロークが経時的に如何に変化するかを概略的に示す図である。
【図3】図２－７は、それぞれ従来技術および本発明によるＳＭＡワイヤアクチュエータアセンブリのサンプルの実験的なキャラクタリゼーションの図であり、アセンブリがその後の活性化サイクルを受けるとき、各々のＳＭＡワイヤのストロークが経時的に如何に変化するかを概略的に示す図である。
【図4】図２－７は、それぞれ従来技術および本発明によるＳＭＡワイヤアクチュエータアセンブリのサンプルの実験的なキャラクタリゼーションの図であり、アセンブリがその後の活性化サイクルを受けるとき、各々のＳＭＡワイヤのストロークが経時的に如何に変化するかを概略的に示す図である。
【図5】図２－７は、それぞれ従来技術および本発明によるＳＭＡワイヤアクチュエータアセンブリのサンプルの実験的なキャラクタリゼーションの図であり、アセンブリがその後の活性化サイクルを受けるとき、各々のＳＭＡワイヤのストロークが経時的に如何に変化するかを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
相変化材料（ＰＣＭ）は、融解潜熱が高い物質であり、特定の温度において、例えば溶融および固化によって多量の熱を吸収および放出することができる物質である。材料が、例えば固体から液体に、または液体から気体に、およびその逆に、相転移を受けるとき、熱が吸収または放出される。ＰＣＭ材料は、潜熱貯蔵（ＬＨＳ）ユニットとして分類される。
【0016】
ＰＣＭ粒子の存在は、ＳＭＡワイヤアクチュエータアセンブリの熱処理を改善するための既知の手法である。発明者らは、形状記憶合金ワイヤの少なくとも一部に適用されたコーティング中に分散されたＰＣＭ粒子を採用することによって、これが電流の供給を中断することによって不活性化されるとき、そのより迅速な冷却を実現することが可能となることを観察した。残留する活性化熱が吸収されているため、電流を供給することによって再度活性化されるとき、形状記憶合金ワイヤのより迅速な応答をもたらす。
【0017】
本発明によれば、形状記憶合金ワイヤに適用されたコーティング中に分散されたＰＣＭ粒子の重量と、コーティングが適用されたまたは形成された形状記憶合金ワイヤの部分の重量との間の比は、１から３０の間である。
【0018】
本発明の実施形態によれば、形状記憶合金ワイヤの直径は、０．１から０．８ｍｍの間であり、それぞれのコーティングの厚みは０．１から３ｍｍの間である。この点について、形状記憶合金ワイヤは現実の物質であるため、円形部分からのずれが起こり得、直径という用語が取り囲む最小の円の直径を意図することが重要である。
【0019】
大きな直径を有する形状記憶合金ワイヤは、厚いコーティングを有する。より詳細には、コーティングされた形状記憶合金ワイヤの直径と、単独の形状記憶合金ワイヤの直径との間の幅の比は２から５の間である。
【0020】
本発明の実施形態によれば、ＰＣＭ粒子の寸法は０．０１から０．１ｍｍの間である。ＰＣＭ粒子が実質的に球形であるとき、用語「寸法」はそれらの直径を示し、一方で不規則な形状を有するＰＣＭ粒子の場合、用語「寸法」はそれらの最大寸法を示す。
【0021】
様々な材料は、本発明のアクチュエータアセンブリの形状記憶合金ワイヤに適用されたまたは形成されたコーティングを作製するために使用することができる。好ましい材料は、プラスチックおよび熱可塑性ポリマー材料、熱硬化性ポリマー材料、樹脂およびシリコーンである。
【0022】
好ましいＰＣＭ材料は、ワックス（好ましくはパラフィンワックス）、脂肪酸、エステル、塩、水和物、有機化合物、および無機化合物の中から選択される。
【0023】
本発明の実施形態によれば、ＰＣＭ粒子は、ＰＣＭ材料の融解熱よりも高い融解熱を有する非ＰＣＭ材料で作られたシェルに封入される。ハウジングとして働くシェルは、相転移の後、ＰＣＭ材料の損失を防ぐ。この特徴により、ＰＣＭのずれおよび損失を防ぐために緻密かつ不透過性のコーティングを使用することを回避することが可能になる。
【0024】
シェルの重量は、ＰＣＭ粒子重量の一部であり、典型的には５％から５０％の間である。
【0025】
本発明は、任意の特定の形状記憶合金材料に限られることはないが、Ｎｉｔｉｎｏｌという商品名で一般的に知られる合金などＮｉ－Ｔｉ系合金が好ましく、その基本的特性は米国特許第４８３０２６２号明細書に記載される。ＳＡＥＳ Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓによる米国特許第８１５２９４１号明細書および米国特許第８４３０９８１号明細書に記載される新規のおよび改善された形状記憶合金もまた使用されてよい。
【0026】
特に、用語Ｎｉ－Ｔｉ系形状記憶合金は、顕著な量のニッケルおよびチタン（少なくとも６０原子パーセント、ａｔ％）を有する形状記憶合金を含み、追加の元素は、例えば米国特許第４５６５５８９号明細書に記載されるＮｉ－Ｔｉ－Ｃｕ合金の場合の低いヒステリシス、例えば米国特許第５１１４５０４号明細書に記載されるＮｉ－Ｔｉ－Ｈｆ合金の場合の高い変形温度など、様々な性質を付与してよい。
【0027】
本発明によるアクチュエータアセンブリは、織物または布に埋め込まれ、互いに平行に配列された複数のコーティングされた形状記憶合金ワイヤを採用する能動システムにおいて有利に使用されてよく、典型的には単位幅あたり２から１００の間である多数のワイヤに起因して、熱処理は最も重要である。
【0028】
本発明の実施形態によれば、単一のコーティングされたＳＭＡワイヤが、例えば曲がった端部を有する平行な線状部分など、特定のパターンに縫い込まれた織物または布に埋め込まれる。形状記憶合金ワイヤの総断面積は、例えば０．００７ｍｍ２から０．５ｍｍ２の間であってよい。
【0029】
用語「織物」または「布」は、最も広い意味で、すなわち、織ったまたは編んだ繊維によって製造されたウェブであると解釈されなくてはならない。
【0030】
本発明は、ＳＭＡワイヤにコーティングを形成するまたは適用する特定の技術に限定されないものとする。コーティングは、能動システムに組み込む前に、例えば、それぞれの単一のワイヤに形成されてよく、または能動システムにおける組み込みの後で、後の段階で適用されてよい。
【0031】
本発明は、以下の非限定的な例を用いてさらに説明される。
【0032】
実施例１：サンプル構造
４つの異なるサンプルが調製された。全てのサンプルは、直径が０．１５ｍｍであり、長さが１００ｍｍであるＮｉｔｉｎｏｌで作られた９つのＳＭＡワイヤを組み込んだナイロン－綿織布からなる同じ基本構造を有する。９つのＳＭＡワイヤは、互いに平行に配置された。
４つの異なるサンプルが調製された。全てのサンプルは、直径が０．１５ｍｍであり、長さが１００ｍｍであるＮｉｔｉｎｏｌで作られた９つのＳＭＡワイヤを組み込んだナイロン－綿織布からなる同じ基本構造を有する。９つのＳＭＡワイヤは、互いに平行に配置された。
【0033】
図１Ａは、コーティングされていないＳＭＡワイヤを組み込んだ比較サンプルＣ１を示す。比較サンプルＣ２は、ＰＣＭ粒子を分散させることなくポリウレタンで作られた３００ミクロンの厚みのコーティングを有する形状記憶合金ワイヤが組み込まれ、その写真が図１Ｂに示される。比較サンプルＣ３（図示されない）は、４ｍｇ／ｃｍ２の量の分散されたＰＣＭ粒子を含むポリウレタンで作られた３００ミクロンの厚みのコーティングを有する形状記憶合金ワイヤを組み込んだものである。粒子は、パラフィンで作られ、ポリマーシェルを含む（パラフィンを９０ｗｔ％、シェルを１０ｗｔ％）。コーティング中に分散されたＰＣＭ粒子の重量と、コーティングが適用されたまたは形成された形状記憶合金ワイヤの部分の重量との間の比は０．７であり、したがって上述の範囲の下限よりも低い。
【0034】
本発明により作られたサンプルＳ１は、４０ｍｇ／ｃｍ２の量の分散されたＰＣＭ粒子を含むポリウレタンで作られた３００ミクロンの厚みのコーティングを有する形状記憶合金ワイヤを組み込んだものである。粒子は比較サンプルＣ３において使用されるＰＣＭ材料と同じもので作られるが、コーティング中に分散されたＰＣＭ粒子の重量と、コーティングが適用されたまたは形成された形状記憶合金ワイヤの部分の重量との間の比は７であり、したがって上述の範囲内である。サンプルＳ１は図１Ｃに示される。
【0035】
比較サンプルＣ４は、ＰＣＭ材料で充填された内径１２ｍｍの円筒形容器の中央にＳＭＡワイヤを配置することによって作られる。この状況は、使用されるＰＣＭの量が多いとき、本発明から外れた状況を示す。
【0036】
比較サンプルＣ３およびＣ４およびサンプルＳ１およびＳ２において、ＰＣＭ粒子の量は、面積（ｃｍ２）に対する重量（ミリグラム）で表され、これはコーティングが均一な表面分布を有すること、およびコーティングの厚みを考慮することにより、例えば試験されたサンプル（Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｓ１、Ｓ２）の全てのコーティングされたワイヤについて３００ミクロンと設定することにより、密度が決定されることを意味する。
【0037】
様々なサンプルの特徴を、以下の表１にまとめる。
【0038】
【表1】
【0039】
実施例２：サンプルキャラクタリゼーション
サンプルは、１Ｈｚの振動数で８アンペアの電流を与えることによって、その後の活性化サイクルを受ける。
サンプルは、１Ｈｚの振動数で８アンペアの電流を与えることによって、その後の活性化サイクルを受ける。
【0040】
図２、３、４、５、６、および７は、比較サンプルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｓ１、およびＳ２において、それぞれ経時的にストロークが如何に変化するかを示す。
【0041】
図２において理解され得るように、ＳＭＡワイヤ長の百分率として表現されるストロークは、累進的に、経時的に減少する。これは、それぞれの作動サイクルの後の、ＳＭＡワイヤにおける、残留熱に基づく残留歪みに起因している。ストロークの減少は、初めの４０回の活性化サイクルについて実質的に線形の傾向を有し、約３０％の残留歪みをもたらす。その代わりに、サンプルＳ１は、無視し得る程度のストローク減少を示し、一方でサンプルＣ３は、コーティングが上述の範囲の下限よりも低い重量比を有するＰＣＭ粒子の分散を含み、約３０回の活性化サイクルに関してただ１０－１５％未満だけに残留歪みを制限することを可能にする。
【0042】
意外にも、ＰＣＭ材料の量が多い比較サンプルＣ４は、試験された全てのサンプルの中で最低の挙動を示すが、これは「コーティング」材料（そのままのＰＣＭ）のモルフォロジーまたは多孔性が、「コーティング」全体における有効な熱拡散を妨げ、その結果非常に低い性能をもたらしている。サンプルＣ４は、「そのままの」ＰＣＭ材料を用いて作られるが、過剰な量のＰＣＭが使用されるとき、何が起こるかを示す。
【0043】
残留歪みの絶対値を考えるよりもむしろ、コーティング中のＰＣＭ粒子の存在が熱吸収に影響し、その結果作動プロファイルにおけるストロークの傾向を変更することを観察することが重要である。比較サンプルＣ２におけるコーティングの存在はより低いストローク減少の実現を可能にするが、サンプルＣ１およびＣ２において、作動プロファイルの形状は実質的に同じである。実は、各活性化サイクルの後、残留歪みは増加し、最後に熱移動におけるある種の動的平衡（プラトー）に達する。動的平衡は、周囲温度、サンプルの形状、および材料の熱伝達係数、すなわちＳＭＡワイヤが作られた材料、コーティングの材料、および周囲空気に依存する。動的平衡は、ＳＭＡワイヤによって熱が生成されるときに確立され、この熱はコーティングと周囲空気との間の界面において消散する熱に対応する。
【0044】
同様の挙動は、比較サンプルＣ３において見ることができるが、コーティングにおけるＰＣＭ粒子の提供が、比較サンプルＣ２およびＣ１と比較して低いストローク減少を実現することを可能にする。それとは異なり、サンプルＳ１およびＳ２において、各々のＳＭＡワイヤのコーティングされた部分の重量に対して上述の範囲内の量でＰＣＭ粒子が分散しているコーティングの提供に起因して、２つの異なる平衡プラトーが観察され得る。特に、サンプルＳ１に関して、第１のもの（初めの３０回の活性化サイクルにおけるもの）は、コーティング内に分散したＰＣＭ粒子の熱貯蔵に関し、コーティングはＳＭＡワイヤによって生成される熱エネルギーの部分を吸収し、その結果コーティング自身の温度が上昇することを防ぐ。ＰＣＭ粒子の熱貯蔵容量が飽和すると、コーティング温度は上昇し、アクチュエータアセンブリは第２の動的平衡プラトーに達する。本発明の利点は、サンプルＳ２でより立証され、この場合第１のプラトー平衡のみが、試験の間にわたって観察可能である。
【0045】
この技術的効果は、以下の表２においてさらに立証され、それぞれが、回復されない歪みである０．３％および０．６％を実現するのに必要である活性化サイクルの数を示す。
【0046】
【表2】
【0047】
表２から、サンプルＳ１が、その活性化特性（２７／４８サイクル）の維持を可能にすること、すなわち約５０回の活性化サイクルに関して０．６％以内の回復できない歪みを有し、並びに２５回を超える活性化サイクル（０．３％以内の回復できない歪み）に関して高い補償特性を有すること、を可能にすること、そしてコーティングされていないワイヤ（比較サンプルＣ１、３／６活性化サイクル）並びにＰＣＭ粒子を持たないコーティングされたワイヤ（比較サンプルＣ２、７／１５活性化サイクル）、低い濃度で分散されたＰＣＭ粒子を有するコーティングされたワイヤ（比較サンプルＣ３、１９／３８活性化サイクル）、および高いＰＣＭの量を有する比較サンプルＣ４（１／２）と比べて、大きな改善をもたらすことを理解することができる。本発明の利点は、実験の間、０．６％未満の点はなく、約０．３％の回復できない歪みを有する約４５サイクルを有するサンプルＳ２を見ることによって、さらに明らかになる。
【図1】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
