特許 7483886 ＳＭＡベースの離散アクチュエータ

(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】

(24)【登録日】2024-05-07

(45)【発行日】2024-05-15

(54)【発明の名称】ＳＭＡベースの離散アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   F03G 7/06 20060101AFI20240508BHJP

【ＦＩ】

F03G7/06 D

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022531556

(86)(22)【出願日】2020-12-18

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-02-16

(86)【国際出願番号】 EP2020087282

(87)【国際公開番号】W WO2021123353

(87)【国際公開日】2021-06-24

【審査請求日】2023-11-14

(31)【優先権主張番号】102019000025057

(32)【優先日】2019-12-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】517067202

【氏名又は名称】アクチュエーター・ソリュ―ションズ・ゲーエムベーハー

(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】マルクス・ケプファー

(72)【発明者】

【氏名】マティーアス・ペーターラインス

(72)【発明者】

【氏名】マルクス・カーゲラー

【審査官】櫻田 正紀

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００５／０１６０８５８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０９７４３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００２／００６９９４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０３０７７８６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０９－１３３０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０６４０６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第１９９０／０１５９２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／２０８００３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０００－２９７５６６（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】

固定支持（１１、４１、５１、９１）と、
アクチュエータの離散ステップに対するステップ距離を規定する一定の歯ピッチＰを有する可動歯付き要素（１２、３２、４２、５２）と、
歯と交互に係合する２つのスライダフィンガ（１３１、１３２、３３１、３３２、４３１、４３２、５３１、５３２）を介して前記可動歯付き要素（１２、３２、４２、５２）を動かすためのスライダ（１３、３３、４３、５３、７３、８３、９３）と、
前記２つのスライダフィンガ（１３１、１３２、３３１、３３２、４３１、４３２、５３１、５３２）のうちの、前記可動歯付き要素（１２、３２、４２、５２）と係合していない一方を持ち上げるように構成された固定のフィンガリフタ（１４、３４、４４、５４）と、
拮抗的構成に接続された２つの形状記憶合金ワイヤ（１５、１５’、３５、３５’、４５、４５’、５５、５５’、７５、７５’、８５、８５’、９５、９５’）であって、それらの各々は、第１の端部における固定端子（１５０、１５０’、３５０、３５０’、４５０、４５０’、５５０、５５０’、７５０、７５０’、８５０、８５０’、９５０、９５０’）と第２の端部における前記スライダ（１３、３３、４３、５３、７３、８３、９３）または前記スライダ（１３、３３、４３、５３、７３、８３、９３）に接続された中間要素（７８、８８、８９、９６、９７）との間に接続され、前記スライダ（１３、３３、４３、５３、７３、８３、９３）を駆動する、２つの形状記憶合金ワイヤ（１５、１５’、３５、３５’、４５、４５’、５５、５５’、７５、７５’、８５、８５’、９５、９５’）とを備え、
前記固定支持（１１、４１、５１、９１）は、互いに前記ステップ距離Ｐにおいて配置された解除可能なロック構造（１６、１７、４６、４６’・・・４６^ｎ、５６、５７）によって前記可動歯付き要素（１２、３２、４２、５２）に結合され、
前記スライダ（１３、３３、４３、５３、７３、８３、９３）は、前記可動歯付き要素（１２、３２、４２、５２）から離れる方にのみ動き、それに向かう方には動かないように変形することができるように構築され、
前記固定のフィンガリフタ（１４、３４、３４’、４４、５４）によって実行される前記持ち上げは、前記２つの形状記憶合金ワイヤ（１５、１５’、３５、３５’、４５、４５’、５５、５５’、７５、７５’、８５、８５’、９５、９５’）のうちの１つの作動時に前記スライダ（１３、３３、４３、５３、７３、８３、９３）の前記動きによって生じ、持ち上げられている前記スライダフィンガ（１３１、１３２、３３１、３３２、４３１、４３２、５３１、５３２）と移動方向に沿って前記スライダフィンガの上流の歯との間の、前記スライダ（１３、３３、４３、５３、７３、８３、９３）の移動方向に沿った隙間Ｇによって可能になり、それにより、前記スライダフィンガ（１３１、１３２、３３１、３３２、４３１、４３２、５３１、５３２）は前記可動歯付き要素（１２、３２、４２、５２）の前記歯に当たらずに通過することができ、
前記隙間は、Ｇ＝ｎ＊Ｐ＋Ｔ－Ｆとして計算され、ここで
ｎは、休止している前記スライダフィンガ（１３１、１３２、３３１、３３２、４３１、４３２、５３１、５３２）の間に含まれる歯の数であり、
Ｐは、前記歯のピッチ／ステップの距離であり、
Ｔは、２つの隣接する歯の間の前記距離であり、
Ｆは、休止している前記スライダフィンガ（１３１、１３２、３３１、３３２、４３１、４３２、５３１、５３２）の間の前記距離である、段階的離散アクチュエータ（１０、３０、４０、５０）。

【請求項2】

前記解除可能なロック構造（１６、１７、４６、４６’・・・４６ ^ｎ 、５６、５７）は、対応するくぼみ（１７、５７）と係合するばね荷重ピン（１６、４６、４６’・・・４６^ｎ、５６）である、請求項１に記載の段階的離散アクチュエータ（１０、３０、４０、５０）。

【請求項3】

前記ばね荷重ピン（１６、４６、４６’・・・４６^ｎ、５６）は前記固定支持（１１、４１、５１）上に固定され、前記くぼみ（１７、５７）は前記可動歯付き要素（１２、３２、４２、５２）内に形成される、請求項２に記載の段階的離散アクチュエータ（１０、３０、４０、５０）。

【請求項4】

前記可動歯付き要素（１２、３２）は直線ラックである、請求項１から３のいずれか一項に記載の段階的離散アクチュエータ（１０、３０）。

【請求項5】

前記可動歯付き要素（４２、５２）は歯付き車輪である、請求項１から３のいずれか一項に記載の段階的離散アクチュエータ（４０、５０）。

【請求項6】

前記形状記憶合金ワイヤ（７５、７５’、８５、８５’）は、ストローク逓倍器効果を与えるレバーである中間要素（７８、８８、８９）に接続される、請求項１から５のいずれか一項に記載の段階的離散アクチュエータ（１０、３０、４０、５０）。

【請求項7】

前記形状記憶合金ワイヤ（６５）の各々は、固定端子（６５０）に接続された先端と、前記スライダにまたは前記スライダを担持する要素に接続する接続要素（６５００）に接続された中間部分とを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の段階的離散アクチュエータ。

【請求項8】

拮抗する形状記憶合金ワイヤの各々は、ストローク逓倍器構成に接続された一連の形状記憶合金ワイヤ（６５ａ、６５ｂ、６５ｃ）で作られる、請求項１から５のいずれか一項に記載の段階的離散アクチュエータ。

【請求項9】

前記形状記憶合金ワイヤ（９５、９５’）は、弾性要素（９６２’、９７２’）を介して前記スライダ（９３）に接続された中間の傾斜可能要素（９６、９７）に働き、前記弾性要素（９６２’、９７２’）は屈曲部またはコイルばねである、請求項１から４のいずれか一項に記載の段階的離散アクチュエータ。

【請求項10】

流量管理デバイスまたはアンテナの方向もしくは形態調整のためのデバイスにおける、請求項１から９のいずれか一項に記載の段階的離散アクチュエータ（１０、３０、４０、５０）の使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、少なくとも２つの形状記憶合金ワイヤが拮抗的構成において使用される、形状記憶合金（ＳＭＡ）ベースの段階的離散アクチュエータに関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に言えば、形状記憶合金ワイヤに基づくアクチュエータは、低エンカンブランス（low encumbrance）、重量、電力消費、などの様々な利点を提示し、上記のすべては、高度の小型化および／またはより複雑なシステム／デバイスにおける一体化の容易さを達成する可能性につながる。

【0003】

最近のＳＭＡワイヤベースのアクチュエータのいくつかの例が、特許文献１および特許文献２に示されている。これらの参考文献のすべては、個別に制御される機械的ロックの一種が必要であるという欠点を有する。

【0004】

拮抗的構成におけるＳＭＡワイヤを使用するアクチュエータのいくつかの他の例は、特許文献３および特許文献４において与えられており、どちらの場合も、新しい位置にアクチュエータを保持するために電力が供給される必要がある。また、これらの解決策は、形状記憶合金ワイヤの長さに依存するので、ストローク／変位の総合的制限の影響を受ける。

【0005】

拮抗的構成におけるＳＭＡワイヤを使用して自己ロックすることができる連続アクチュエータが、本出願者による特許文献５において記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】米国特許出願第２００５／０１６０８５８号

【文献】米国特許第７３６４２１１号

【文献】米国特許出願第２０１９／０２８８３９１号

【文献】国際特許出願ＷＯ２０１９／１１９４５４

【文献】国際特許出願ＷＯ２０２０／１８３３６０

【文献】米国特許第９０６８５６１号

【文献】米国特許第６８３５０８３号

【文献】米国特許第８７３９５２５号

【非特許文献】

【0007】

【文献】２００４年秋までさかのぼる「Shape Memory Alloy Shape Training Tutorial」、訓練セクション「ME559-Smart Materials and Structures」

【文献】２００１年に発行された「Fundamental characteristics and design method for nickel-titanium shape memory」、PERIODICA POLYTECHNICA SER. MECH. ENG. VOL. 45, NO. 1、７５～８６ページ

【文献】第１８回IFAC World Congress、ミラノ（イタリア）、２０１１年８月２８日～９月２日のプレプリントで発行された「Design and Control of a Shape Memory Alloy Actuator for Flap Type Aerodynamic Surfaces」

【文献】SMST 2010 conferenceにおいて提示された、Ｄｅｎｎｉｓ Ｗ． Norwichによる、「A Study of the Properties of a High Temperature Binary Nitinol Alloy Above and Below its Martensite to Austenite Transformation Temperature」

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の目的は、アクチュエータの状態変化の間にのみより高い電力供給を必要とするが、アクチュエータを新しい位置に保持するためにはずっと少ない電力しか必要とせず、いくつかの好ましい実施形態では電力を必要としない離散ステップにおいてある要素を動かすことができるアクチュエータを提供することであり、その第１の態様では段階的離散アクチュエータで構成され、段階的離散アクチュエータは、
固定支持と、
一定の歯ピッチがアクチュエータの離散ステップを規定する可動歯付き要素と、
可動歯付き要素を係合する２つのフィンガを介して可動歯付き要素を動かすための、一方向に屈曲可能なスライダと、
固定のフィンガリフタと、
スライダを駆動するための拮抗的構成における形状記憶合金ワイヤのカップルとを含み、
固定支持は、前記ステップ距離に等しい一定の間隔を有する解除可能なロック構造によって可動歯付き要素に結合され、休止しているスライダフィンガ間の距離は、フィンガリフタによってスライダフィンガを持ち上げることを可能にするために係合可能な歯の間の距離より十分に短い。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、以下の図によってさらに説明される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１の実施形態によるアクチュエータの概略断面図である。

【図2A】異なる作動状態における、図１に示すアクチュエータの概略断面図である。

【図2B】異なる作動状態における、図１に示すアクチュエータの概略断面図である。

【図2C】異なる作動状態における、図１に示すアクチュエータの概略断面図である。

【図2D】異なる作動状態における、図１に示すアクチュエータの概略断面図である。

【図2E】異なる作動状態における、図１に示すアクチュエータの概略断面図である。

【図3A】異なる作動状態における、本発明の第２の実施形態によるアクチュエータの概略断面図である。

【図3B】異なる作動状態における、本発明の第２の実施形態によるアクチュエータの概略断面図である。

【図3C】異なる作動状態における、本発明の第２の実施形態によるアクチュエータの概略断面図である。

【図4】本発明の第３の実施形態によるアクチュエータの概略断面図である。

【図5A】本発明の第４の実施形態によるアクチュエータの概略断面図である。

【図5B】本発明の第４の実施形態によるアクチュエータの概略断面図である。

【図5C】本発明の第４の実施形態によるアクチュエータの上面図である。

【図5D】本発明の第４の実施形態によるアクチュエータの上面図である。

【図6A】本発明によるアクチュエータのための例示的な形状記憶合金ワイヤ構成を示す図である。

【図6B】本発明によるアクチュエータのための例示的な形状記憶合金ワイヤ構成を示す図である。

【図6C】本発明によるアクチュエータのための例示的な形状記憶合金ワイヤ構成を示す図である。

【図6D】本発明によるアクチュエータのための例示的な形状記憶合金ワイヤ構成を示す図である。

【図7A】形状記憶合金ワイヤとスライダとの間の第１の例示的な代替接続の概略図である。

【図7B】形状記憶合金ワイヤとスライダとの間の第１の例示的な代替接続の概略図である。

【図8A】形状記憶合金ワイヤとスライダとの間の第２の例示的な代替接続の概略図である。

【図8B】形状記憶合金ワイヤとスライダとの間の第２の例示的な代替接続の概略図である。

【図9A】形状記憶合金ワイヤとスライダとの間の第３の例示的な代替接続の概略図である。

【図9B】形状記憶合金ワイヤとスライダとの間の第３の例示的な代替接続の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図において、いくつかの場合において示す様々な要素のサイズおよび寸法比は、特にしかし非排他的にアクチュエータの他の要素に対するＳＭＡワイヤの直径に関して、図の理解を助けるために変更されており、同じく、電流供給源、アクチュエータのケース／筺体など、本発明の理解に必要でないいくつかの付随する要素は、当技術分野で知られている通常の手段であるため、示されていない。

【0012】

本発明は、アクティブ要素として形状記憶合金ワイヤを使用し、この観点から、形状記憶合金は、２つの位相、すなわち、より低い温度において安定するいわゆるマルテンサイト相と、より高い温度において安定するいわゆるオーステナイト相との間の構造変態を特徴とすることが知られている。それゆえ、形状記憶合金は、４つの温度Ｍｆ、Ｍｓ、Ａｓ、Ａｆを特徴とし、Ｍｆは、その温度以下で形状記憶合金は完全にマルテンサイト相にある、すなわちそれはマルテンサイト構造を有する温度であり、Ａｆは、その温度以上で形状記憶合金は完全にオーステナイト相にある、すなわちそれはオーステナイト構造を有する温度であり、Ｍｓは、その温度以下で形状記憶合金はオーステナイトからマルテンサイトへの変態が始まる温度であり、Ａｓは、その温度以上でマルテンサイトからオーステナイトへの変態が始まる温度である。形状記憶合金で作られたワイヤは、温度がＭｆ以下からＡｓ以上に変化するときにそれらの形状を変えるように訓練され得、その逆も真である。ＳＭＡワイヤの処理および訓練は、非特許文献１によって例示されるように、当技術分野で広く知られている処理である。

【0013】

本発明は、所望のスライダ変位を与えるために拮抗的構成における形状記憶合金ワイヤを使用し、この観点から、形状記憶合金ワイヤがマルテンサイト（低温度）に対してよりオーステナイト相（高温度）にあるほど、形状記憶合金ワイヤは、より高いけん引力を働かせる。形状記憶合金ワイヤの動作原理の詳細は、当業者には広く知られており、たとえば、非特許文献２を参照されたく、一方で、拮抗する形状記憶合金ワイヤの制御のさらなる詳細は、たとえば、非特許文献３の中に見出され得る。

【0014】

上記で説明したように、オーステナイト状態にもたらされた、すなわちＡｓとＡｆとの間に含まれる温度におけるワイヤは短縮され、その結果、収縮方向にスライダを引っ張る力をスライダに働かせる一方で、他方のＳＭＡワイヤはマルテンサイト状態にあり、すなわちＭｓとＭｆとの間に含まれる温度にある。形状記憶合金ワイヤは、そのような作動温度に交互にもたらされ、最初に可動歯付き要素を押すようにスライダを駆動し、次いでスライダをその休止位置に戻す一方で、可動歯付き要素を新しい位置に残し、それにより、ひとたびスライダが中央／休止位置に戻ると、それらはともにマルテンサイト状態になる。

【0015】

本発明の第１の実施形態によるアクチュエータ１０の概略断面図を、図１に示す。

【0016】

アクチュエータ１０は、可動歯付き要素、この場合は歯付きラック１２に結合された固定支持１１を含み、結合は、歯付きラック１２上に形成されたくぼみ１７によって表される解除可能なロック構造によって達成され、くぼみ１７の中に固定支持１１（２つだけ示す）上に固定されたばね荷重ピン１６が係合して可動歯付きラック１２を保持する。前記ロック構造１６、１７の一定間隔は、歯付きラック１２の歯ピッチＰ、すなわちその歯１２１、１２２、１２３および１２４の中心の間の一定距離に等しい。

【0017】

スライダ１３の２つの係合するフィンガ１３１、１３２は、歯付きラック１２の２つの隣接する歯の間の間隔Ｔ内に配置される。スライダ１３がフィンガ１３１、１３２を担持する部分は、一方向に（この場合は上方に）のみ屈曲可能なように構築され、曲がりは、前記フィンガ１３１、１３２のうちの１つによって、それが、拮抗的構成に配置された２つのＳＭＡワイヤ１５、１５’によってスライダ１３を動かすときに、固定のフィンガリフタ１４と接触するときにもたらされる力によって生じる。より具体的には、スライダ１３は、２つのＳＭＡワイヤ１５、１５’の各々の第１の先端を固定しながら、第２の先端が、好適な１５０、１５０’を介してアクチュエータ１０の別の固定要素（図示せず）に接続されるためのポール１３０をさらに含む。

【0018】

図１に示す可動歯付きラック１２は、４つの歯１２１、１２２、１２３、１２４を有するが、本発明は、特定の数の歯に限定されず、そのような数は、３と３０との間であることが好ましく、８と２５との間に含まれることが最も有用である。

【0019】

本システムは、可動歯付きラックの各離散ステップに対して解除可能なロック構造を必要とすることに留意することが重要であるが、これは、固定支持１１上に固定されたばね荷重ピン１６と、歯に対応して可動歯付きラック１２上に形成された係合くぼみ１７（またはその反対）とを有することに限定されない。とはいえ、これは、直線的歯付きラックに対して好ましい。より具体的には、くぼみは、歯からオフセットされて、たとえば歯と歯の間に設置されてもよく、または異なるばね荷重ピンによって一度に１つずつ単一のくぼみが係合されてもよく、またはその反対に、単一のばね荷重ピンが一度に１つずつ異なるくぼみと係合してもよい（後者のタイプの結合の例が、後で提供される）。

【0020】

「固定の」という用語は、アクチュエータの文脈において他のデバイスの構成要素または部分組立品と解釈されるべきであり、そのために、それらは可動要素上に搭載されてよく、それにより、固定要素は、アクチュエータ、すなわちその可動部分およびそのアクティブ作動要素（形状記憶合金要素）の作用に対して固定された要素であることが強調されるべきである。最も一般的な構成では、固定要素はアクチュエータケースに埋め込まれるかまたはその一部である。

【0021】

本発明の文脈における「一方向に屈曲可能な」は、スライダ１３のフィンガ担持部は、その部分が歯付きラック１２から離れる方向に動くようにのみ変形することができ、その反対方向には変形できないように構築されることを意味する。

【0022】

図１に示すアクチュエータの動作原理を、図２Ａ～図２Ｅにおいてさらに示す。

【0023】

図２Ａでは、アクチュエータ１０は、開始状態において休止しており、２つの拮抗する形状記憶合金ワイヤ１５、１５’は等しい長さである。

【0024】

図２Ｂでは、形状記憶合金ワイヤ１５は、より高い作動状態（すなわち、より高温）にあってより短くなり、スライダ１３を左の方に引っ張り始め、その結果、左の係合フィンガ１３１が歯１２２を左の方に押し、同じく、ばね荷重ピン１６とくぼみ１７とをオフセットすることによってロック構造を解除させる。同時に、右の係合フィンガ１３２は、固定のフィンガリフタ１４に衝突し、その支持の一方向に屈曲可能な特性によって歯１２３の上に持ち上げられ、それゆえ、歯付きラック１２と干渉することなく、左の方へのフィンガの移動を可能にする。

【0025】

図２Ｃは、可動歯付きラック１２が、新しい平衡位置に到達した状況を示す。この状況では、形状記憶合金ワイヤ１５は、依然としてより高い温度にあり、ロック構造は係合され、ばね荷重ピン１６は、可動歯付きラック１２のくぼみ１７と整列していることを意味する。

【0026】

図２Ｄは、アクチュエータシステムが、新しい変位を可動歯付きラック１２に与えることができるように復帰し始めることを示しており、この中間状況では、左のフィンガ１３１がスライダ１３の一方向への曲がりによって歯１２３によって持ち上げられる一方で、右のフィンガ１３２は依然として固定のフィンガリフタ１４によって持ち上げられたままである。それゆえ、この状況では、スライダフィンガ１３１および１３２は、歯付きラック１２の歯に対して大きい力を及ぼすことはなく、そのために、スライダ１３は、歯付きラック１２の変位を生じることなく、中央の方に戻ることができる。

【0027】

図２Ｅは、アクチュエータ１０が、形状記憶合金ワイヤ１５が加熱される場合に左の方に、または形状記憶合金ワイヤ１５’が加熱される場合に右の方に、歯付きラック１２の別の変異を引き起こす用意があることを示す。

【0028】

垂直の点線は、アクチュエータの中央の開始位置を表し、フィンガリフタ１４の中央を横断する。

【0029】

図１～図２Ｅに示すアクチュエータは、休止状態において、スライダフィンガ１３１と１３２との間に、可動歯付き要素１２の歯と歯の間の距離Ｔより短い距離Ｆを有することを特徴とし、それにより、フィンガは、フィンガリフタ１４によって持ち上げられたときに歯に当たらずに通過することができる。さらに、スライダフィンガの長さ、歯ピッチＰ、およびフィンガリフタの位置は、フィンガリフタの位置が常にフィンガの間に留まるように設計される。

【0030】

ばね荷重ピンおよび対応するくぼみは、解除可能なロック、より具体的には、設定された力が加えられるまで、すなわちＳＭＡ作動ワイヤが電流を供給されてそのＡｓ温度を超えるまで、適所に可動歯付きラックを保持するロックに対する最も有用な構成である。解除可能なロック他の好適な例は、金属ノッチ、オーバーモールドノッチ、ゴムピン、ばね荷重鋼、セラミックボール、または固定支持上に固定された第１の極性の磁石と可動歯付きラック上に固定された反対の極性の磁石との磁石結合（またはその逆）を有する板ばねであり得る。固定支持または可動歯付きラックのうちの少なくとも一方において、磁石は１ステップの距離に存在し、好ましくは、それらの数はステップの数に等しく、それらは、固定支持と可動歯付きラックの両方の上で１ステップの距離に存在することが重要である。

【0031】

代替のしかしあまり好ましくはない実施形態では、ＳＭＡワイヤ、ＶＣＭまたはピエゾのいずれかで動かされるアクティブブロック要素が、解除可能なロックとして有用であり、これは、本発明の２つの技術的利点のうちの一方を取り除くとしても、他方は依然として存在し、平衡している間にＳＭＡワイヤをマルテンサイト状態に保持するために必要な低い力につながる。

【0032】

図１～図２Ｅの上記の説明は、「係合可能な歯」の概念を、アクチュエータの休止位置（図１の中央にある構成）において形状記憶合金ワイヤを引っ張る収縮によって押され得るそれらの２つの歯として説明することを可能にする。システムは対称であるので、それは、スライダフィンガ１３１の左の歯１２２（ＳＭＡワイヤ１５から引っ張る場合）またはスライダフィンガ１３２の右の歯１２３（ＳＭＡワイヤ１５’から引っ張る場合）のいずれかであり得る。

【0033】

上記の説明は、同じく、係合可能な歯の距離Ｔとスライダフィンガの距離Ｆとの間に十分な差のないアクチュエータがなぜ作動することができないかを説明する。より具体的には、形状記憶合金ワイヤ１５が短縮されるときにＴがＦと実質的に等しくなる場合、スライダ１３が左の方に動く傾向があり、それゆえ、左のフィンガ１３１は歯１２２を押すが、同時に右のフィンガ１３２は、フィンガ１３２が固定要素１４に衝突すると、歯１２３（すなわち、スライダ１３の動きの方向においてフィンガ１３２から上流の歯）の動きをブロックする。

【0034】

本発明は、隙間がスライダの上昇を可能にする限り、その隙間Ｇ＝Ｔ－Ｆの特定の値に限定されず、最小隙間Ｇは、製造工程の許容差を考慮に入れて、フィンガがフィンガリフタによって持ち上げられ得るように設計される。隙間Ｇに対する最も好適な値の決定は、簡単な三角法の評価によって当業者には容易に認識可能である。最も簡単な構成では、隙間Ｇは、（図２Ａにおけるように）「休止」位置における係合フィンガの先端が可動歯付きラックと接触していることを考慮すると、少なくとも可動ラックの歯の高さによって与えられるが、それらが接触しない場合は、隙間はそれに応じて低減されてもよい。

【0035】

異なる作動状態における本発明の第２の実施形態によるアクチュエータ３０の概略図を図３Ａ～図３Ｃに示し、最も重要な構造的変異のみを表す。

【0036】

より詳細には、図３Ａに示すように、アクチュエータ３０は、係合フィンガ３３１、３３２および３３１’、３３２’の同一のカップルによってそれぞれ駆動される２つの同一の可動歯付きラック３２、３２’を含み、フィンガの両カップルは、同一のフィンガリフタ３４、３４’によって持ち上げられる同じスライダ３３に接続される。スライダ３３の動きは、端子３５０、３５０’を介して固定のアクチュエータ筐体（図示せず）に接続された拮抗的構成における形状記憶合金ワイヤ３５、３５’のカップルによって駆動される。すでに述べたように、２つの固定支持および対応する解除可能なロック構造など、本実施形態の動作を理解するために必要でない要素のいくつかは、示されていない。

【0037】

図３Ｂでは、左の形状記憶合金ワイヤ３５は、右の形状記憶合金ワイヤ３５’に対してより高い作動状態にあり、すなわちその温度はＡｓを超えて増加し、それにより、ＳＭＡワイヤ３５はスライダ３３を左に引っ張る。この動きの結果として、フィンガ３３１および３３１’は歯付きラック３２および３２’を左に動かす一方で、フィンガ３３２および３３２’は、スライダ３３へのヒンジ接続によって固定のフィンガリフタ３４、３４’に衝突するので上昇する。

【0038】

図３Ｃは、形状記憶合金ワイヤ３５’の引っ張りによって右に動くスライダ３３による、可動歯付きラック３２、３２’の初期位置からの反対の動きを示す。図３Ｂと図３Ｃにおいて、形状記憶合金ワイヤ３５、３５’の作動状態（すなわち、より熱いワイヤ）は入れ替わる。

【0039】

図３の第２の実施形態は、（相対的な係合フィンガ３３１’および３３２’、固定のフィンガリフタ３４’、固定支持および解除可能なロック構造とともに）対称的に配置された第２の可動ラック３２’の追加による構造の複製に対してだけでなく、歯付きラックのピッチＰより大きいフィンガ間の距離に対して、図１～図２Ｅの第１の実施形態と異なる。

【0040】

この構成では、歯３２１、３２１’、３２２、３２２’は、休止位置（中央にある構成）における可動歯付き要素３２、３２’の係合可能な歯であるが、他の４つの歯は、スライダフィンガの間に含まれる。それゆえ、この場合、必要な隙間Ｇは、単にＴ－Ｆに等しくはなくて４Ｐ＋Ｔ－Ｆに等しく、したがって、一般式はＧ＝ｎ＊Ｐ＋Ｔ－Ｆであり、ここでｎは、休止しているスライダフィンガ間に含まれる歯の数である。この式は、同じく、第１の実施形態の場合にｎ＝０である（休止しているスライダフィンガの距離Ｆは歯付きラックのピッチＰより小さい）ことを考慮して、第１の実施形態に適用可能である。

【0041】

本発明によるアクチュエータは、図４の断面図における例に対して見られるように、直線構成に限定されない。この場合、アクチュエータ４０は円筒対称性を有し、固定要素は、同心の可動歯付き車輪／歯車４２に結合された固定の円筒形中心支持４１である。結合は、図４の休止状態において、すなわち２つの形状記憶合金ワイヤ４５、４５’がバランス状態（同じより低い温度）にあるときに、歯付き車輪４２の歯４２１、４２２、．．．、４２ｎに対応しているばね荷重ピン４６、４６’、．．．、４６^ｎによって達成される。形状記憶合金ワイヤ４５、４５’は、各々がそれぞれ、スライダ４３の片側と固定端子４５０、４５０’とに接続されている拮抗的構成にある。

【0042】

第１の実施形態と同様に、この第３の実施形態においても、２つの係合フィンガ４３１、４３２は、歯付き車輪の距離Ｔより小さい距離Ｆを有し、係合フィンガを持ち上げるための固定のフィンガリフタ４４は歯付き車輪の歯を押さず、その作動原理は、直線配列から円筒配列に変換された図２Ａ～図２Ｅの原理と厳密に同じである。この構成では、歯４２１および４２２は、可動歯付き要素４２の係合可能な歯である。

【0043】

図４の実施形態の変異形態が、図５Ａ～図５Ｄの第４の実施形態において示され、この場合も、アクチュエータ５０は、可動歯付き要素として歯付き車輪５２を含む。歯付き車輪５２の中心に設置された枢動要素５２’に接続されたスライダ５３の位置は、各々が固定端子５５０、５５０’に接続され、スライダ５３が枢動軸５２’周りに回転することを可能にする逆Ｖ字形に配置された、２つの拮抗する形状記憶合金ワイヤ５５、５５’の作用によって制御される。

【0044】

図５Ｃおよび図５Ｄの部分的上面図によく示されるように、スライダ５３は、スライダ５３に直角の軸５８上に回転可能に搭載され、歯付き車輪５２の上に延びる２つのフィンガ５３１、５３２を設けられ、それにより、第１のフィンガ５３１は近位部に設置され、第２のフィンガ５３２は遠位部に設置され、すなわち、それらは、軸５８に直角の２つの異なる平行平面内で独立に回転することができる。固定のフィンガリフタ５４は、スライダ５３に対して歯付き車輪５２の反対側に設置された固定支持５１上に搭載され、それゆえ、図５Ａ、図５Ｂの正面図において見えない。前記フィンガリフタ５４は、平面図において実質的にＳ字形であり、固定支持５１に接続するための支持部分５４３に加えて、歯付き車輪５２と同じ幅の中央の広い部分と、前記幅の半分の幅を有し、右の方と左の方にそれぞれ延びる（図５Ｃ、図５Ｄに見られる）２つの狭い部分５４１、５４２とを有する。フィンガ５３１、５３２は、フィンガリフタ５４のＳ字形のよりよい理解を可能にするために図５Ｃおよび図５Ｄにおいて半透明に描かれていること、およびシステムは、フィンガ５３１、５３２の位置を切り替えてフィンガリフタ５４のＳ字形を入れ替えることによってミラーリング法で作られ得ることに留意されたい。

【0045】

より具体的には、図５Ａおよび図５Ｂの正面図においてよりよく見られるように、２つのフィンガ５３１、５３２は、実質的にコンマ形であり、それらの凹面が互いに対面する対向配列でそれらのより大きい「ヘッド」において軸５８上に搭載され、それらのより薄い「テール」は図５Ａの休止位置においてアーチ形のフィンガリフタ５４の下に延び、それらはフィンガリフタ５４の２つの狭い部分５４１、５４２の近位端に対してそれぞれ当接し、歯付き車輪５２の係合可能な歯５２１、５２２の間に（明らかに上記で説明したように、十分な隙間Ｇを有して）配置される。スライダ５３は、同じく、フィンガ５３１、５３２の上部で逆Ｖ字形配列に延び、中央が軸５８と整列して搭載された２つの板ばね５３’、５３’’を設けられ、図５Ａにおける休止位置において、板ばね５３’、５３’’が、フィンガ５３１の反時計回り回転およびフィンガ５３２の時計回り回転に対して小さい付勢を与えながらフィンガ５３１、５３２にそれぞれ接触するように、前記板ばね５３’、５３’’の位置および勾配が決められる。それゆえ、フィンガ５３１、５３２の回転は、歯付き車輪５２によって一方向に完全に制限され、弾性的に変形され得る板ばね５３’、５３’’によって他の方向に部分的に制限される。

【0046】

第１の形状記憶合金ワイヤ５５が作動すると、図５Ｂおよび図５Ｄに示すように、スライダ５３は左に引っ張られ、その結果、反時計回りに回転し、これは、第１のフィンガ５３１が歯５２１に衝突することを生じ、固定支持５１上に搭載されたばね荷重ピン５６（黒点）が歯付き車輪５２の中の円に沿って配設されたくぼみ５７のうちの１つから離脱することを介して歯付き車輪５２のロック解除を生じる。ばね荷重ピン５６は、（それがそれらの正しい位置においてフィンガリフタ５４とピン５６とを保持する限り）任意の形状を有しかつ歯付き車輪５２に平行な平面内にある固定支持５１と結合することを可能にする。

【0047】

スライダ５３の左に動いている間、第２のフィンガ５３２は、固定のフィンガリフタ５４の狭い部分５４２によって持ち上げられ、その結果、反時計回りに回転して板ばね５３’’を変形させる。このようにして、フィンガ５３２はフィンガリフタ５４の上部に設置され、歯付き車輪５２の反時計回り回転干渉することはなく、それは、ばね荷重ピン５６が次のくぼみ５７を係合するまで継続する。

【0048】

図５Ａの休止位置に復帰するための戻りストロークの間、フィンガ５３２は狭い部分５４２に沿ってスライドする一方で、フィンガ５３１は時計回りに回転することによって歯５２２の上に上昇し、板ばね５３’を変形させる。システムの対称性によって、第２の形状記憶合金ワイヤ５５’が歯付き車輪５２の時計回り回転のために作動するとき、その動作は、単に逆の動き／回転と同じであり、すなわち、フィンガ５３２が歯５２２を係合し、フィンガ５３１が板ばね５３’が変形することによって狭い部分５４１上に持ち上げられる。

【0049】

それゆえ、図５の第４の実施形態は、図４の第３の実施形態に対してこれらの大きい違いを有する。
－ 固定要素上に搭載された単一のロックピンは、歯付き回転要素上で円形に配設された異なるくぼみと交互に係合する。
－ 固定支持および歯付き回転要素は、異なる平面上にある。
－ ２つのフィンガは、異なる平面上にある。
－ スライダは、歯付き回転要素の枢動軸上に搭載される。

【0050】

本発明は、拮抗的構成における２つの直線的形状記憶合金ワイヤの使用に限定されない。なぜならば、それらのワイヤをスライダおよび固定面に接続するための複数の構成が可能であるからである。

【0051】

図６Ａ～図６Ｄの概略表現では、より有用な表現が示される。
－ 図６Ａ：端子６５０と、ワイヤをスライダ（図示せず）またはスライダを担持する要素に接続する要素６５００との間の直線構成における単一の形状記憶合金ワイヤ６５であり、これは最も単純な構成であって図１～図５に表されるアクチュエータの実施形態において示されるワイヤである。
－ 図６Ｂ：「Ｕ字形」構成における単一の形状記憶合金ワイヤ６５であり、その先端は端子６５０に接続され、その中央部分は接続要素６５００周りに巻かれている。
－ 図６Ｃ：接続要素６５００の同じ点上に合流する２つの形状記憶合金ワイヤ６５ａ、６５ｂであり、代替的に、同じ図が、その部分６５ａ、６５ｂの各々が端子６５０と接続要素６５００の同じ点とを接続する「Ｖ字形」構成における単一の形状記憶合金ワイヤを表してもよい。
－ 図６Ｄ：米国特許第６５７４９５８号に記載されるようなストローク逓倍器構成における３つの形状記憶合金ワイヤ６５ａ、６５ｂ、６５ｃであり、第３のＳＭＡワイヤ６５ｃのみが、その先端のうちの１つを接続要素６５００に接続される。

【0052】

本発明は、形状記憶合金ワイヤをスライダに接続するための特定の方法に限定されず、より具体的には、拮抗的構成における形状記憶合金ワイヤは、図１～図４の実施形態に示すようにスライダに直接接続されてもよく、またはそれらは、図５に示すスライダに接続された要素に接続されてもよい。

【0053】

この中間接続の別の非限定的な例を、図７Ａおよび図７Ｂに示す。この場合、拮抗する形状記憶合金ワイヤ７５、７５’は整列され、固定端子７５０、７５０’と回転アーム７８との間で接続され、回転アーム７８は、第１の枢動軸７８’’を介して固定要素（図示せず）に接続される一方で、スライダ７３は、第２の枢動軸７８’’を介して回転アーム７８に接続される。この配列を用いてストローク逓倍効果が達成される。なぜならば、ＳＭＡワイヤ７５’の右への収縮の量ｓ１が、スライダ７３を、ｓ２＝ｓ１＊Ｌ２／Ｌ１で与えられる距離だけ左の方に変位させるからであり、ここでＬ１は第１の枢動軸７８’と形状記憶合金ワイヤ７５、７５’の整列線との間の距離であり、Ｌ２は枢動軸７８’と７８’’との間の距離である。

【0054】

図７Ａおよび図７Ｂを参照しながら説明したものと同様の、ストローク逓倍効果を達成する中間接続の別の例が、図８Ａおよび図８Ｂに示されており、そこにおいて、拮抗するワイヤ８５、８５’は、互いに平行であるが完全には整列されていない。第１の形状記憶合金ワイヤ８５の先端は、固定端子８５０におよび第１の回転可能アーム８８の上部に接続され、同様に、第２の形状記憶合金ワイヤ８５’の先端は、固定端子８５０’におよび第２の回転可能アーム８９の上部に接続される。各回転可能アーム８８、８９は、第１の枢動軸８８’、８９’を介して固定要素（図示せず）に、および第２の枢動軸８８’’、８９’’を介してスライダ８３に接続され、スライダ８３は、２つの下方に延びるフィンガ８３１、８３２を有するように成形され、それらをスライダに固定するのではない。

【0055】

図８Ｂは、形状記憶合金ワイヤ８５のけん引作用を受け、それによりアーム８８が枢動軸８８’周りを時計回りに回転するシステムを示す。他方の形状記憶合金ワイヤ８５’は、第２のアーム８９に力を働かせず、それゆえ、それは、同じく、２つの第２の枢動軸８８’および８９’を介して伝達されるスライダ８３の左への動きによって、枢動軸８９’周りに時計回りに回される。

【0056】

中間接続の第３の例が図９Ａおよび図９Ｂに示され、そこにおいて、スライダ９３が、可動支持９２に平行な固定要素９１に対面する可動支持９２の側面上で可動支持９２に垂直方向に固定される。２つの傾斜可能構造９６、９７が、前記要素９１と９２との間でそれらの端部に近い位置において直角に配置され、それらは、傾斜可能構造９６、９７に平行な２つのそれぞれの屈曲部のペア９６１、９６１’および９７１、９７１’を介してそれらに接続される。傾斜可能構造９６、９７に直角の他の２つのそれぞれの屈曲部のペア９６２、９６２’および９７２、９７２’は、それらを固定要素９１およびスライダ９３のそれぞれに接続する。拮抗する形状記憶合金ワイヤのペア９５、９５’はそれぞれ、固定要素９１上に搭載された端子９５０、９５０’と、それに隣接する傾斜可能構造９６、９７の先端との間に接続され、前記ワイヤ９５、９５’は、第２の屈曲部のペア９６２、９６２’および９７２、９７２’に平行に配置される。

【0057】

図９Ａは、その「休止」位置にあるスライダ９３を示す一方で、図９Ｂは、形状記憶合金ワイヤ９５の作動の下で、すなわちその短縮時に、スライダ案内システムがどのように変化するかを示す。この場合、傾斜可能要素９６の近位の先端が、固定要素９１の方に引っ張られ、それにより、すべての屈曲部が曲がって力を及ぼす。屈曲部の組み合わされた効果は、第１の傾斜可能要素９６に実質的に平行な第２の傾斜可能要素９７の傾きと、固定要素９１に対する可動支持９２の平行変位とをもたらす。

【0058】

図９Ａは、拮抗的構成における形状記憶合金ワイヤと弾性要素との組合せ効果を介してスライダ９３を駆動するための例示的な構成を示すにすぎないことを理解されたい。それゆえ、本発明は、弾性要素（屈曲部）のタイプまたはそれらの配置に限定されない。なぜならば、当業者は、この原理に基づいて代替駆動構成を、容易に、独創的な演習なしに直ちに考案することができるからである。たとえば、標準的なコイルバネが、屈曲部を置換してもよく、その配置は、図９Ａに示す正方形／平行から、１つの頂点が固定要素９１上に、１つの頂点が可動支持９２上にある、傾斜可能要素９６および９７の２つの頂点を有する傾斜／ひし形に変更され得る。

【0059】

本発明は、幾何学的観点から、２５μｍと５００μｍとの間に含まれる直径を有するＳＭＡワイヤが有用に使用されるとしても、特定のタイプの形状記憶合金ワイヤに限定されない。この点において、形状記憶合金ワイヤは、円形断面が可能であることから離れて、実物体であるので、直径という用語は、最小の閉じた円の直径と見なされるべきである。

【0060】

本発明は、任意の特定の形状記憶合金に限定されないとしても、その処理に従って超弾性挙動または形状記憶合金挙動を交互に提示し得るニチノールなどのニッケル－チタンベース合金の使用が好ましい。ニチノールの特性およびそれらを達成することを可能にする方法は、当業者に広く知られて折り、たとえば、非特許文献４文を参照されたい。

【0061】

ニチノールは、そのようなものとして使用されてもよいが、変態温度に関するその特性は、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｃｕなどの元素を追加することによって調整されてもよい。材料合金およびその特性の適切な選択は、当技術分野で当業者に一般的に知られており、たとえば、http://memry.com/nitinol-iq/nitinol-fundamentals/transformation-temperaturesを参照されたい。

【0062】

同じく、形状記憶合金ワイヤは、「それ自体で」使用されてもよく、またはそれらの温度管理、すなわち作動後のそれらの冷却を改善するためにコーティング／シースとともに使用されてもよい。コーティングシースは、熱導体である電気絶縁コーティングを用いることによって余熱を管理する方法を教示する特許文献６に記載されるようにユニホームであり得るが、特許文献７は、各作動サイクルの後の冷却を改善することができる包囲シースを有する形状記憶合金ワイヤを記載している。同じく、特許文献８に記載されるように、相変態材料で作られるかまたはそれらを含むコーティングが、有利に使用され得る。

【0063】

本発明によるアクチュエータは、高速の応答が取り扱うべき問題点または重要な態様でない、強い力および限定された空間に対する調整を必要とする用途において最も有利に使用される。それらは、歯車箱が力の関係で（for force reasons）取り付けられるステップモータアクチュエータを置き換えることができるか、またはそれらは、温度制御用途に対して流体および空気流の管理において使用されてよく、別の興味ある使用分野は、ビームの方向および形を修正するためにアンテナの中の素子を動かすことである。上記にもかかわらず、デバイスのサイズは、微小規模または大規模に拡縮可能であるので、消費者用電子機器および医療産業における他の用途が実現可能である。

【符号の説明】

【0064】

１０ アクチュエータ
１１ 固定支持
１２ 可動歯付きラック
１３ スライダ
１４ 固定のフィンガリフタ
１５ 形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤ
１５’ 形状記憶合金ワイヤ、ＳＭＡワイヤ
１６ ばね荷重ピン、ロック構造
１７ くぼみ、ロック構造
３０ アクチュエータ
３２，３２’ 可動歯付きラック
３３ スライダ
３４，３４’ 固定のフィンガリフタ
３５，３５’ 形状記憶合金ワイヤ
４０ アクチュエータ
４１ 固定の円筒形中心支持
４２ 可動歯付き車輪／歯車
４２ｎ 歯
４３ スライダ
４４ 固定のフィンガリフタ
４５，４５’ 形状記憶合金ワイヤ
４６，４６’，４６^ｎ ばね荷重ピン
５０ アクチュエータ
５１ 固定支持
５２ 歯付き車輪
５２’ 枢動要素
５３ スライダ
５３’，５３’’ 板ばね
５４ フィンガリフタ
５５，５５’ 形状記憶合金ワイヤ
５６ ばね荷重ピン
５７ くぼみ
５８ 軸
６５，６５ａ，６５ｂ，６５ｃ 形状記憶合金ワイヤ
７３ スライダ
７５， ７５’ 形状記憶合金ワイヤ
７８ 回転アーム
７８’ 第１の枢動軸
７８’’ 第２の枢動軸
８３ スライダ
８５，８５’ 形状記憶合金ワイヤ
８８ 第１の回転可能アーム
８８’ 第１の枢動軸
８８’’ 第２の枢動軸
８９ 第２の回転可能アーム
８９’ 第１の枢動軸
８９’’ 第２の枢動軸
９１ 固定要素
９２ 可動支持
９３ スライダ
９５，９５’ 形状記憶合金ワイヤ
９６，９７ 傾斜可能構造
１２１，１２２，１２３，１２４ 歯
１３０ ポール
１３１，１３２ フィンガ
１５０，１５０’ 端子
３２１，３２１’，３２２， ３２２’ 歯
３３１，３３１’，３３２，３３２’ フィンガ
３５０，３５０’ 端子
４２１，４２２ 歯
４３１，４３２ フィンガ
４５０，４５０’ 端子
５２１，５２２ 係合可能な歯
５３１，５３２ フィンガ
５４１，５４２ 狭い部分
５４３ 支持部分
５５０，５５０’，６５０ 端子

【図1】

【図2A-2E】

【図3A-3C】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7A-7B】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】