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【発明の名称】 形状記憶合金製部材を利用した駆動機構
【発明者】 【氏名】中山 征二
【住所又は居所】福岡県飯塚市大字立岩字帯田１０４９番地 九州ミツミ株式会社内

【氏名】中島 孝廉
【住所又は居所】福岡県飯塚市大字立岩字帯田１０４９番地 九州ミツミ株式会社内
【要約】 【課題】本発明は形状記憶合金製部材を利用した駆動機構に関し、簡単な構成で形状記憶合金製部材が破断する事故の発生を防止するようにすることを課題とする。

【解決手段】第１の線状部材３１は、Ｔｉ−Ｎｉ系の形状記憶合金製であり、引っ張り変形させられている状態で通電されて加熱されと、収縮する。第１の過負荷吸収用ばね部材３３が第１の線状部材３１に直列に接続してある。第１の線状部材３１は、本体１１と脚部材１２との間に張ってあり、収縮して、脚部材１２を回動させる。足部１２ｂが引っ掛って、第１の線状部材３１に作用する引っ張り力が増すと、第１の過負荷吸収用ばね部材３３が伸びて、第１の線状部材３１に作用する過負荷を吸収して、第１の線状部材３１が破断に到ることを防止する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 所定の温度にまで加熱されたときに変形する形状記憶合金製部材の変形によって被駆動部材を駆動させる駆動機構にあって、上記形状記憶合金製部材と直列に、該形状記憶合金製部材に作用する負荷が所定値を越えると弾性変形して該形状記憶合金製部材に上記所定値を越えて作用する負荷を吸収する過負荷吸収用ばね部材を設けた構成としたことを特徴とする形状記憶合金製部材を利用した駆動機構。
【請求項２】 請求項１記載の駆動機構において、上記被駆動部材の可動する範囲を上記形状記憶合金製部材に作用する負荷が過度にならない範囲に制限するストッパ機構を有する構成としたことを特徴とする駆動機構。
【請求項３】 請求項１又は請求項２記載の駆動機構を備えた構成としたことを特徴とするロボット装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は形状記憶合金製部材を利用した駆動機構に関する。
【０００２】形状記憶合金製の部材は所定の温度にまで加熱することによって収縮又は膨張して記憶してある元の形状に戻る部材であり、人の筋肉と同じように収縮及び弛緩することから、小型のロボット等の駆動機構に利用されている。
【０００３】
【従来の技術】従来の駆動機構は、所定の温度にまで加熱されたときに収縮する線状の形状記憶合金製部材を、本体と被駆動部材との間に張るように設けた構成である。形状記憶合金製部材を通電等によって加熱することによって、形状記憶合金製部材が収縮して、被駆動部材が駆動される。通電を停止すると、形状記憶合金製部材が冷却され、復帰用のばね部材によって、形状記憶合金製部材が伸ばされると共に、被駆動部材が元の位置へ戻される。
【０００４】形状記憶合金製部材が収縮されて被駆動部材が駆動される過程で、被駆動部材が何かに当たった場合には、収縮動作中の形状記憶合金製部材に作用する引っ張り力が形状記憶合金製部材自体の引っ張り強度の限界を越えて、形状記憶合金製部材が破断することが起きてしまうことがある。
【０００５】そこで、従来は、収縮動作中の形状記憶合金製部材に作用する引っ張り力を検知して、引っ張り力が引っ張り強度に至らないようにする制御を行っていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このためには、形状記憶合金製部材に作用する引っ張り力を検知する手段、引っ張り力が引っ張り強度より低く設定してある所定の値を越えたことを判断して、形状記憶合金製部材への通電を停止させる手段等が必要となって、駆動機構が複雑になってしまうという問題があった。
【０００７】そこで、本発明は、上記課題を解決した形状記憶合金製部材を利用した駆動機構を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、所定の温度にまで加熱されたときに変形する形状記憶合金製部材の変形によって被駆動部材を駆動させる駆動機構にあって、上記形状記憶合金製部材と直列に、該形状記憶合金製部材に作用する負荷が所定値を越えると弾性変形して該形状記憶合金製部材に上記所定値を越えて作用する負荷を吸収する過負荷吸収用ばね部材を設けた構成としたものである。
【０００９】過負荷吸収用ばね部材は、形状記憶合金製部材に所定値を越えて作用する負荷を吸収して、形状記憶合金製部材に作用する負荷が過度にならないようにする。この過負荷吸収用ばね部材は、小さい部材であり、駆動機構のサイズを大きくさせない。またの過負荷吸収用ばね部材は、安価な部材であり、駆動機構の製造コストを高くしない。
【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載の駆動機構において、上記被駆動部材の可動する範囲を上記形状記憶合金製部材に作用する負荷が過度にならない範囲に制限するストッパ機構を有する構成としたものである。
【００１１】ストッパ機構は、被駆動部材に大きい外力が作用した場合でも、形状記憶合金製部材に作用する負荷が過度にならないようにする。
【００１２】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の駆動機構を備えた構成としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例になる形状記憶合金製部材を利用した駆動機構３０を有する昆虫ロボット装置１０の一部を示す。図２は図１の駆動機構３０の一部を概略的に示す。図２（Ａ）は駆動前の状態を示し、図２（Ｂ）は駆動した時の状態を示し、図２（Ｃ）は駆動途中で足部が引っ掛ったときの動作の状態を示す。Ｘ１−Ｘ２は昆虫ロボット装置１０の長さ方向、Ｙ１−Ｙ２は昆虫ロボット装置１０の幅方向であり、脚部材１２が延びている方向、Ｚ１−Ｚ２は昆虫ロボット装置１０の高さ方向である。Ｘ１が昆虫ロボット装置１０が前進する方向である。
【００１４】１１は本体、１２は被駆動部材である脚部材である。昆虫ロボット装置１０は、本体１１に脚部材１２が複数本並んで取り付けてあり、各脚部材１２毎に駆動機構３０が設けてある構成である。
【００１５】本体１１には柱部２０がＺ１である上方に突き出て設けてあり、柱部２１がＺ２である下方に突き出て設けてある。柱部２０の上方の端に引っ掛け部２２−１が、柱部２１の下方の端に引っ掛け部２２−３が、本体１１に引っ掛け部２２−２が形成してある。後述するピン１４を中心としてみると、引っ掛け部２２−１はピン１４よりＸ１側で且つＺ１側の位置であり、引っ掛け部２２−３はＸ１−Ｘ２上はピン１４と同じ位置で、且つ、Ｚ１−Ｚ２上はピン１４よりＺ２側の位置であり、引っ掛け部２２−２は、Ｚ１−Ｚ２上はピン１４と同じ位置で、且つ、Ｘ１−Ｘ２上はピン１４よりＸ２側の位置である。
【００１６】１２は脚部材である。脚部材１２は、その基部１２ａ側を関節部材１３を介して本体１１に取り付けられており、Ｙ２方向に延びている。１２ｂは先端の足部である。関節部材１３は、図３に併せて示すように、本体１１上に植わっているピン１４によって軸線１５Ｚを中心に回動可能である。脚部材１２は、その基部を関節部材１３の一対の腕部１３ａの間に嵌合して、ピン１６によって支持されている。よって、脚部材１２は、軸線１５Ｚを中心にＸ−Ｙ面内で回動可能であると共に、軸線１５Ｘを中心にＹ−Ｚ面内で回動可能である。位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、脚部材１２の位置であり、基部１２ａ側に近い順である。位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に、引っ掛け部１７−１、１７−２、１７−３が形成してある。
【００１７】次に駆動機構３０について説明する。駆動機構３０は、第１の線状部材３１、第２の線状部材３２、第１の過負荷吸収用ばね部材３３、第２の過負荷吸収用ばね部材３４、復帰用ばね部材３５、電源３６，３７、スイッチＳＷ１，ＳＷ２等よりなる構成である。
【００１８】第１及び第２の線状部材３１、３２は、Ｔｉ−Ｎｉ系の形状記憶合金製であり、径が１００μｍ程度の線状の部材であり、図１に示す長さより短い長さの形状が記憶されている。図１は第１及び第２の線状部材３１、３２が引っ張り変形されている状態である。第１及び第２の線状部材３１、３２は、ニクロム線に近い高い電気抵抗を有しており、通電させることによって加熱させることが可能である。第１及び第２の線状部材３１、３２は、図１に示すように引っ張り変形させた状態で通電させて加熱させると筋肉のように収縮し、冷却すると弛緩する、通電加熱駆動型の小型のリニアアクチュエータである。第１及び第２の線状部材３１、３２は、例えば、トキ・コーポレーション株式会社製のバイオメタル・ファイバー（商品名）である。なお、バイオメタルはトキ・コーポレーション株式会社の登録商標である。第１及び第２の線状部材３１、３２は、引っ張り強度Ｑ１を有する。第１及び第２の線状部材３１、３２の最大の収縮力は、引っ張り強度Ｑ１より大きい。
【００１９】第１、第２の過負荷吸収用ばね部材３３、３４は、本発明の要部をなす部品であり、引っ張りコイルばねであり、第１及び第２の線状部材３１、３２の引っ張り強度Ｑ１より少し低く設定してある引っ張り力Ｑ２が作用すると伸びを開始するばね定数を有するばね特性を有する。
【００２０】第１の線状部材３１の一端には第１の過負荷吸収用ばね部材３３の一端が接続してある。第１の線状部材３１の他端が引っ掛け部１７−３に引っ掛けてあり、第１の過負荷吸収用ばね部材３３の他端が引っ掛け部２２−３に引っ掛けてある。第１の線状部材３１は、本体１１と脚部材１２との間に張ってあり、収縮して、脚部材１２を、足部１２ｂがＺ２方向に移動させるようにピン１６に関して時計方向に回動させる。この第１の線状部材３１は通電されるようになっている。
【００２１】第２の線状部材３２の一端には第２の過負荷吸収用ばね部材３４の一端が接続してある。第２の線状部材３２の他端が引っ掛け部１７−２に引っ掛けてあり、第２の過負荷吸収用ばね部材３４の他端が引っ掛け部２２−２に引っ掛けてある。第２の線状部材３２は、本体１１と脚部材１２との間に張ってあり、収縮して、脚部材１２を、足部１２ｂがＸ２方向に移動させるようにピン１４に関して時計方向に回動させる。この第２の線状部材３２は通電されるようになっている。第１、第２の過負荷吸収用ばね部材３３、３４は第１、第２の線状部材３１、３２と本体１１との間に設けてある。
【００２２】復帰用ばね部材３５は、その端を引っ掛け部２２−１及び引っ掛け部１７−１に引っ掛けて、本体１１と脚部材１２との間に張ってあり、脚部材１２を二方向に回動させる。復帰用ばね部材３５は、足部１２ｂがＸ１方向に移動するように脚部材１２をピン１４を中心に反時計方向に回動させて復帰させ、且つ、足部１２ｂがＺ１方向に移動するように脚部材１２をピン１６を中心に反時計方向に回動させて復帰させる。このように復帰用ばね部材３５は脚部材１２を二方向に回動させるため、復帰用ばね部材は単一で足りている。
【００２３】次に上記の構成になる駆動機構３０の動作について説明する。
【００２４】スイッチＳＷ１を閉成すると、電源３６からの電流が第１の線状部材３１に流れ、第１の線状部材３１がそれ自体の電気抵抗によって発熱して収縮し、脚部材１２が駆動されて復帰用ばね部材３５を伸ばしつつＹ−Ｚ面内で回動され、足部１２ｂがＺ２方向に移動される。この動作については後に詳述する。
【００２５】スイッチＳＷ２を閉成すると、電源３７からの電流が第２の線状部材３２に流れ、第２の線状部材３２がそれ自体の電気抵抗によって発熱して収縮し、脚部材１２が駆動されて復帰用ばね部材３５を伸ばしつつＸ−Ｙ面内で回動され、足部１２ｂがＸ２方向に移動される。
【００２６】スイッチＳＷ１及びＳＷ２を開成すると、第１及び第２の線状部材３１、３２には電流が流れなくなって、第１及び第２の線状部材３１、３２は空冷され、弛緩し、脚部材１２は復帰用ばね部材３５のばね力によって上記とは逆方向に回動されて元の位置に復帰される。続いて、スイッチＳＷ１及びＳＷ２が再度閉成され、第１及び第２の線状部材３１、３２が再度加熱されて収縮し、脚部材１２が再度駆動される。
【００２７】他の脚部材も同じように駆動されて、その後に復帰される。脚部材１２及び他の脚部材がこのように駆動されて回動されることによって、昆虫ロボット装置１０は上下動しつつ、Ｘ１方向に移動される。
【００２８】次に、第１の線状部材３１及び第１の過負荷吸収用ばね部材３３の動作について、図２を参照して説明する。
【００２９】図２（Ａ）は図１に示す状態、即ち、駆動機構３０が動作する前の状態である。図２（Ｂ）は第１の線状部材３２が収縮した状態である。
【００３０】第１の線状部材３２は、長さＬ０に形状が記憶されている。第１の過負荷吸収用ばね部材３３は自然長さがＬ１０である。なお、Ｌ０、Ｌ１は、Ｌ０＜Ｌ１の関係にあり、Ｌ１０、Ｌ１１は、Ｌ１０＜Ｌ１１の関係にある。
【００３１】図２（Ａ）に示す駆動機構３０が動作する前の状態では、脚部材１２は復帰用ばね部材３５のばね力によって反時計方向に回動されており、第１の線状部材３２は引っ張り変形させられており、長さはＬ１である。
【００３２】スイッチＳＷ１を閉成すると電源３６からの電流が第１の線状部材３１に流れ、図２（Ｂ）に示すように、第１の線状部材３１がそれ自体の電気抵抗によって発熱して収縮し、脚部材１２が駆動されて復帰用ばね部材３５を伸ばしつつＹ−Ｚ面内で回動され、足部１２ｂがＺ２方向に移動される。このときに第１の線状部材３１に作用している引っ張り力は、前記のＱ２より低い値である。第１の過負荷吸収用ばね部材３３は伸びないで、長さはＬ１０のままである。
【００３３】スイッチＳＷ１を開成すると、第１の線状部材３１には電流が流れなくなって、第１の線状部材３１は空冷され、弛緩し、脚部材１２は復帰用ばね部材３５のばね力によって上記とは逆方向に回動されて元の位置に復帰され、図２（Ａ）に示す状態となる。
【００３４】図２（Ｃ）は、第１の線状部材３１が通電されそれ自体の電気抵抗によって発熱して収縮する途中で、足部１２ｂが障害物４０に当たって脚部材１２がそれ以上は回動が出来なくなってしまった場合を示す。この場合には、第１の過負荷吸収用ばね部材３３が伸ばされて、長さがＬ１１となる。第１の過負荷吸収用ばね部材３３は第１の線状部材３１に作用している引っ張り力が前記のＱ２を越えると伸びを開始して、第１の線状部材３１に作用しようとする過負荷を吸収する。よって、収縮した第１の線状部材３１に作用している引っ張り力はＱ２程度に留まり、引っ張り強度Ｑ１には到らず、第１の線状部材３１が破断する事故は発生せず、防止される。
【００３５】なお、第２の過負荷吸収用ばね部材３４も、上記の第１の過負荷吸収用ばね部材３３と同様に、第２の線状部材３２に作用している引っ張り力が前記のＱ２を越えると伸びを開始する。よって、第２の過負荷吸収用ばね部材３４は第２の線状部材３２に作用しようとする過負荷を吸収し、収縮した第２の線状部材３２に作用している引っ張り力はＱ２程度に留まり、引っ張り強度Ｑ１には到らず、第２の線状部材３２が破断する事故は発生せず、防止される。
【００３６】なお、第１、第２の過負荷吸収用ばね部材３３、３４を第１、第２の線状部材３１、３２と脚部１２との間に設けてもよく、上記と同じ効果が得られる。
【００３７】駆動機構３０は、第１、第２の過負荷吸収用ばね部材３３、３４を追加して、第１、第２の線状部材３１、３２と直列に設けた構成であり、従来に比べて小型であり、且つ、製造コストも安価である。また、駆動機構３０が小型で且つ安価であるため、昆虫ロボット装置１０も小型で且つ安価である。
【００３８】図３（Ａ）、（Ｂ）は、関節部材１３の部分を拡大して示す。５０，５１はストッパであり、対をなし、本体１１上に設けてあり、関節部材１３の腕部１３ａ，１３ｂを係止して、脚部材１２のＸ−Ｙ面内での回動の範囲を規制する。規制する回動の範囲は、第２の線状部材３２に引っ張り強度Ｑ１に到る負荷が作用しないように定めてある。６０，６１はストッパであり、対をなし、関節部材１３の腕部１３ａ，１３ｂにこれを跨ぐように設けてあり、脚部材１２を係止して、脚部材１２のＹ−Ｚ面内での回動の範囲を規制する。規制する回動の範囲は、第１の線状部材３１に引っ張り強度Ｑ１に到る負荷が作用しないように定めてある。ストッパ５０，５１，６０，６１はストッパ機構７０を構成し、脚部材１２に強い外力が作用した場合に、脚部材１２の回動する角度範囲が制限され、第１、第２の線状部材３１，３２に過度の負荷が作用することが防止される。
【００３９】なお、本発明は、形状記憶合金製部材が加熱されて伸びるものである場合にも、また、形状記憶合金製部材が線状部材以外の部材である場合にも、過負荷吸収用ばね部材を形状記憶合金製部材と直列に設けることによって実現することが可能である。形状記憶合金製部材が加熱されて伸びるものである場合には、過負荷吸収用ばね部材は、圧縮コイルばねが最適である。
【００４０】
【発明の効果】上述の如く、本発明は形状記憶合金製部材と直列に過負荷吸収用ばね部材を設けた構成としたものであるため、形状記憶合金製部材に作用する負荷が過度にならならず形状記憶合金製部材が破断する事故が発生しない駆動機構であって、且つ、小型で且つ製造コストが安価である駆動機構を実現することが出来る。
【００４１】また、本発明はストッパ機構を設けた構成であるため、被駆動部材に大きい外力が作用した場合でも、形状記憶合金製部材に作用する負荷が過度にならならず形状記憶合金製部材が破断する事故が発生しない駆動機構を実現することが出来る。
【出願人】 【識別番号】０００００６２２０
【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社
【住所又は居所】東京都多摩市鶴牧２丁目１１番地２
【出願日】 平成１４年２月５日（２００２．２．５）
【代理人】 【識別番号】１０００７０１５０
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
【公開番号】 特開２００３−２２５４７４（Ｐ２００３−２２５４７４Ａ）
【公開日】 平成１５年８月１２日（２００３．８．１２）
【出願番号】 特願２００２−２８５３９（Ｐ２００２−２８５３９）