JP2004032887A

JP2004032887A - Telescopic actuator

Info

Publication number: JP2004032887A
Application number: JP2002184891A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Saito; 斎藤　亮彦; Shigeru Douno; 堂埜　茂
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP4069692B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To arbitrarily control a telescopic motion of a composite actuator section by temperature control and voltage control and have the actuator perform an arbitrary telescopic motion. <P>SOLUTION: This telescopic actuator 1 comprises the telescopic composite actuator section 2 constructed by combining a shape memory alloy actuator 5 formed out of shape memory alloy 9 contracted by a temperature control section 6 heating; and an electrostrictive actuator 8 in which a soft pole section 4 formed out of conductive expansion material is disposed respectively on both faces of a telescopic section 3 formed out of insulated expansion material, and which is extended by voltage application of a voltage control section 7 onto the soft pole section 4. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状記憶合金と電歪アクチュエータとを組み合わせた伸縮自在アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電圧を印加すると伸縮する電歪アクチュエータとして、シート状の絶縁性伸縮材料からなる伸縮部と、この伸縮部の両面の全面に亘って配置される導電性伸縮材料からなる電極部と、電極部に電圧を印加制御する制御部とで構成されたものが知られている。この種の電歪アクチュエータでは電極部に正の電位を印加すると伸縮部のイオンドーピング量が増大することで伸縮部が伸張し、負の電位を印加すると伸縮部のイオンドーピング量が減少することで収縮することでアクチュエータとしての力を発現できるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電歪アクチュエータでは伸縮部の両面全面に電極部が配置されているため、アクチュエータの伸縮量が小さいという問題がある。なお伸縮量を大きくするためには伸縮部の表面積を大きくせざるを得なくなり、この場合、アクチュエータの大型化を招くという問題が生じる。
【０００４】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、温度制御と電圧制御とによって任意に複合アクチュエータ部の伸縮を制御できると共に、収縮と延伸（伸張）を別々のアクチュエータが担うことで、小型でありながら軸方向に任意の伸縮動作をさせることが可能な伸縮自在アクチュエータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明にあっては、温度制御部６による加熱によって収縮する形状記憶合金９からなる形状記憶合金アクチュエータ５と、絶縁性伸縮材料からなる伸縮部３の両面に導電性伸縮材料からなる柔軟電極部４が各々配置されると共に電圧制御部７による柔軟電極部４への電圧印加によって延伸する電歪アクチュエータ８とを複合して、伸縮自在な複合アクチュエータ部２を構成したことを特徴としており、このように構成することで、温度制御と電圧制御とによって任意に複合アクチュエータ部２の伸縮を制御できると共に、収縮を形状記憶合金アクチュエータ５が担い、延伸（伸張）を電歪アクチュエータ８が担うことで、小型でありながら軸方向Ａに任意の伸縮動作をさせることが可能となる。
【０００６】
また本発明にあっては、温度制御部６による加熱によって収縮する形状記憶合金９の線材からなる形状記憶合金アクチュエータ５を心材とし、この心材の周囲に、絶縁性伸縮材料からなる伸縮部３の両面に導電性伸縮材料からなる柔軟電極部４が各々配置されると共に電圧制御部７による柔軟電極部４への電圧印加によって延伸する電歪アクチュエータ８を配置して、伸縮自在な複合アクチュエータ部２を棒状構造としたことを特徴としており、このように構成することで、温度制御部６と電圧制御部７とによって任意に複合アクチュエータ部２の伸縮を制御できると共に、収縮を形状記憶合金アクチュエータ５が担い、延伸（伸張）を電歪アクチュエータ８が担うことで、棒状構造をした小型の複合アクチュエータ部２を軸方向Ａに任意の伸縮動作をさせることが可能となる。さらに、形状記憶合金アクチュエータ５を心材とすることで、伸縮自在アクチュエータ１の強度を増大させることができる。
【０００７】
また上記柔軟電極部４の表面が電気絶縁被覆されているのが好ましく、このように構成することで、複合アクチュエータ部２を例えば網目等のような繊維構造にした際に、クロス部での短絡等の心配が不要となる。
【０００８】
また上記心材となる形状記憶合金アクチュエータ５を少なくとも２本以上配置するのが好ましく、このように構成することで、形状記憶合金９の比表面積が大きくなるため、放熱性が高くなり、より速いアクチュエーションが可能となる。
【０００９】
また上記心材の周囲に電歪アクチュエータ８が多層に形成されているのが好ましく、このように構成することで、電歪アクチュエータ８の断面積が増加するため、伸長方向に大きな発生力を得ることができる。
【００１０】
また上記棒状構造の複合アクチュエータ部２を螺旋状に巻き付けることで、チューブ形状に形成するのが好ましく、このように構成することで、電極の比表面積が高まり、低電圧で高い伸縮・発生力が得られると共に、チューブ形状の半径方向Ｂに向かって膨張・収縮する伸縮自在アクチュエータ１が得られる。
【００１１】
また上記棒状構造の複合アクチュエータ部２を網目構造に構成するのが好ましく、このように構成することで、柔軟構造となり、かつ、編み方により伸縮量・発生力を柔軟に変えることが可能となる。そのうえ電極の比表面積が高く低電圧で高い伸縮・発生力が得られる。
【００１２】
また上記網目構造の複合アクチュエータ部２を筒状立体構造とするのが好ましく、このように構成することで、二次元平面構造の場合と比べて、網目の端部も機械的仕事に有効に作用するものとなり、さらに網目末端のほつれ対策も不要となる。
【００１３】
また上記網目構造の複合アクチュエータ部２を、多層の筒状立体構造とするのが好ましく、このように構成することで、多層化することで同体積の伸縮自在アクチュエータ１よりも大きな出力が得られるようになる。
【００１４】
また表面に絶縁層１０が設けられたファイバー状電歪アクチュエータ８Ａを心材とし、この心材の周囲に、筒状立体構造のメッシュ状形状記憶合金アクチュエータ５Ａを配置するのが好ましく、このように構成することで、収縮を形状記憶合金アクチュエータ５が、伸長を電歪アクチュエータ８が担うことで、軸方向Ａに任意の動作をさせることが可能になると共に、三次元立体構造とすることで網目の端部も機械的仕事に有効に作用するものとなり、さらに網目末端のほつれ対策も不要となる。
【００１５】
また上記心材の周囲に、筒状立体構造のメッシュ状形状記憶合金アクチュエータ５Ａとファイバー状電歪アクチュエータ８Ａとを交互に複数層形成するのが好ましく、このように構成することで、伸縮自在アクチュエータ１の断面積が増加するため、伸長・収縮方向ともに大きな発生力を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の伸縮自在アクチュエータ１の制御構造の一例を示し、図２（ａ）は伸縮自在アクチュエータ１の伸張時、（ｂ）は収縮時（冷却時）を示している。
【００１８】
伸縮自在アクチュエータ１は、温度制御部６による加熱によって収縮する形状記憶合金９（ＳＭＡ）からなる形状記憶合金アクチュエータ５と、絶縁性伸縮材料からなる伸縮部３の両面に導電性伸縮材料からなる柔軟電極部４が各々配置されると共に電圧制御部７による柔軟電極部４への電圧印加によって延伸する電歪アクチュエータ８（電歪ポリマー）とが複合された伸縮自在な複合アクチュエータ部２を備えており、電圧制御部７から柔軟電極部４への電圧の印加とその解除を行なうことによって、電歪アクチュエータ８は軸方向Ａに伸縮動作を行なうものであり、温度制御部６により形状記憶合金９の加熱温度を制御することによって、形状記憶合金アクチュエータ５は軸方向Ａに伸縮動作を行なうものである。本例では、線材からなる形状記憶合金アクチュエータ５を心材とし、この心材の周囲に筒状の電歪アクチュエータ８を配置して、伸縮自在な複合アクチュエータ部２を棒状構造としている。なお、電歪アクチュエータ８は中空の筒型となるが、その断面形状は円筒に限らず、三角、四角等でもよい。また形状記憶合金９の熱源は、熱伝導体や電気ヒータ等が挙げられる。
【００１９】
一方、電歪アクチュエータ８を構成する絶縁性伸縮材料は、アクリルエラストマー、シリコン等の柔軟性を有し、且つ誘電率の高い（１．０Ｆ／ｍ程度若しくはそれ以上）材料である。上記柔軟電極部４は、上記材料（液状）にカーボンブラック、貴金属フィラー等を混入し、電気伝導性を確保した電極材料からなる。
【００２０】
ここで、筒状の電歪アクチュエータ８が伸縮するメカニズムにつき説明する。絶縁性伸縮材料の両側に電圧をかけると柔軟電極部４が帯電してクーロン力により柔軟電極部４が引き付け合って伸縮するという現象が生じるものであり、この現象を利用して伸縮部３を伸縮させるものである。図３（ａ）に示すようなシリコン等のポリマー製の絶縁性伸縮材料よりなる伸縮部３の内外両面に導電性伸縮材料からなる柔軟電極部４を各々配置して構成される電歪アクチュエータ８の外径の厚みをｔとし、電圧制御部７から柔軟電極部４に印加する電圧をＶとした場合における図３（ｂ）においてＰで示す発生応力（等方）、Δｚで示す電界方向歪み（収縮）、Δｘで示す電界と垂直方向の歪み（延伸）は以下の式で求められる。尚、下式において、ｅ_０・ｅ_ｒ：ポリマーの誘電率（Ｆ／ｍ）、Ｅ：電極間の電界（Ｖ／ｍ）、Ｙ：ポリマーのヤング率（Ｐａ）である。
・発生応力（等方）
Ｐ＝ｅ_０・ε_ｒ・Ｅ^２＝ε_０・ε_ｒ・Ｖ^２／ｔ^２（Ｐａ）
・電界方向歪み（収縮）
Δｚ＝ε_０・ε_ｒ・Ｅ^２／Ｙ＝ε_０・ε_ｒ・Ｖ^２／Ｙ・ｔ^２（％）
・電界と垂直方向の歪み（延伸）
Δｘ＝０．５・ε_０・ε_ｒ・Ｅ^２／Ｙ＝０．５ε_０・ε_ｒ・Ｖ^２／Ｙ・ｔ^２（％）
すなわち、図３に示す電歪アクチュエータ８は、印加される電圧、電流の変動により分子間に働くクーロン力を変位させて自体の形状変化、つまり、電歪アクチュエータ８の軸方向Ａの伸長に伴う表面積の拡大と収縮との変化によって、直線運動の動力を発生させるものである。なお図３中の５ａは形状記憶合金アクチュエータ５が挿入される中空部である。
【００２１】
一方、形状記憶合金９、つまり「ＳＭＡ」材料は、ニッケル、チタンの配合比５０％前後の合金（ニチノール）から形成される。なお、若干の銅（Ｃｕ）やアルミが配合されてもよい。この「ＳＭＡ」材料は低温でのマルテンサイト相状態で母相形状から変形させることができる。そしてその相変態温度より高温に加熱されてオーステナイト相状態になると、この形状記憶合金９は元の形状つまり「母相」形状に戻ろうとする。従って、ＳＭＡの１つの有利な特性は、この材料が加熱されて元に戻ることによって、力が発生することである。この「ＳＭＡ」材料の表面に電気的な絶縁層１０を被覆することで、図４（ｂ）に示す心材としての形状記憶合金アクチュエータ５が形成される。
【００２２】
ここで、形状記憶合金アクチュエータ５が伸縮するメカニズムにつき説明する。形状記憶合金９に温度制御部６より直流を通電してジュール熱により加熱を図り、記憶した形状に急激に戻る際の超弾性作用を利用してアクチュエータとするものである（図４（ｃ）参照）。温度制御部６のスイッチ１１をオフにする場合には、線状の形状記憶合金９は放熱により冷却されて剛性が低下して、バイアス力により伸ばされた状態（図４（ａ）参照）になるものである。
【００２３】
なお、形状記憶合金９の絶縁層１０としては、絶縁機能を高めるものとして例えば、ポリイミド、ポリパラキシレンを蒸着重合してコーティングするものであるが、このように蒸着重合して絶縁層１０を得る他に、高温酸化、電解酸化、化成処理による酸化等による酸化処理によって絶縁層１０を得るようにしてもよく、又、活性化処理→亜鉛メッキ→化成処理による例えばリン酸塩処理（リン酸Ｚｎ，Ｍｎ，Ｆｅ）やクロメート処理（黒色クロメート、オリーブクロメート）等をおこなう表面処理＋化成処理によって絶縁層１０を形成してもよく、更に、セラミックコートやガラスコートをおこなう無機系コーティングによって絶縁層１０を得るようにしてもよい。ところで、絶縁層１０の熱伝導率を高めるものとして、例えば高熱伝導シリコン溶液にディップコートをおこなって絶縁層１０上にヒートシンク層を形成したり、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのような、作動時の形状記憶合金９の伸縮に耐えるような弾性率の高い金属薄膜を絶縁層１０上に形成するものである。このような金属薄膜の形成には、スパッタリング等の物理的処理や、化学的蒸着等の蒸着処理が好適に用いられる。
【００２４】
しかして、本発明の伸縮自在アクチュエータ１では、温度制御部６のスイッチ１１がＯＦＦかつ電圧制御部７のスイッチ１２がＯＮの場合、電極間の静電引力により絶縁性伸縮材料部分が半径方向Ｂに収縮し軸方向Ａに延伸される。その際、図２（ａ）に示すように、電歪アクチュエータ８がバイアス力となり、ＳＭＡが伸びた状態になる。一方、図２（ｂ）に示すように、電圧制御部７のスイッチ１２がＯＦＦの時に温度制御部６への通電を開始すれば、ジュール熱によりＳＭＡが加熱され、形状回復動作と共に力を発生する。これらの変化の際の変位・発生力をＳＭＡに接触した出力部から取り出すことで伸縮自在アクチュエータ１が構成される。
【００２５】
このように温度制御と電圧制御とによって任意に複合アクチュエータ部２の伸縮を制御できると共に、収縮を形状記憶合金アクチュエータ５が担い、延伸（伸張）を電歪アクチュエータ８が担うことで、複合アクチュエータ部２を軸方向Ａに任意の伸縮動作をさせることが可能となる。
【００２６】
また本例では、線材からなる形状記憶合金アクチュエータ５を心材としているので、伸縮自在アクチュエータ１の強度が増大する。また、形状記憶合金９の表面に絶縁層１０を形成したので、形状記憶合金アクチュエータ５として可撓性・伸縮性・発生力の向上を図ることができながら、通電加熱をおこなう際には絶縁層１０によって電気的絶縁がなされて通電加熱時の電流値を低くできるのであり、低電流で高速加熱を図ることができる結果、アクチュエータとしての応答性を高めることができ、更に、温度制御部６の出力を小にして小型化を図ることができるものである。
【００２７】
さらに、電歪アクチュエータ８を筒状に形成することで、伸縮部３を構成する絶縁性伸縮材料の厚みを薄くしながら且つその表面積を大きくすることができると共に、筒状の伸縮部３の内外両面に柔軟電極部４を各々配置することで伸縮部３の内外両面に対して均一な電界付加ができるようになり、これにより伸縮量の増加と小型化との両方を容易に実現できるものである。
【００２８】
図５は、柔軟電極部４の表面を電気絶縁被覆した場合の一例を示している。なお伸縮自在アクチュエータ１の動作は図１の実施形態と同様である。本例では、電気絶縁被覆方法として、ウレタンのディップコート、パリレン、ポリイミド蒸着重合等が行なわれるが、その絶縁材料としては高分子の伸縮に追随する低ヤング率の材質が望ましい。しかして、柔軟電極部４の表面を電気絶縁することによって、後述のように複合アクチュエータ部２を網目等、繊維構造にした際に、クロス部での短絡等の心配が不要となる。
【００２９】
図６は心材となる形状記憶合金アクチュエータ５を少なくとも２本以上配置する場合の一例を示している。なお伸縮自在アクチュエータ１の動作は図１の実施形態と同様である。本例では、３本の形状記憶合金アクチュエータ５を束ねた場合を示しており、個々の形状記憶合金ワイヤは「より線」或いは「ツイスト」状態としてもよい。しかして、形状記憶合金アクチュエータ５を複数配置することで、形状記憶合金９の比表面積が大きくなるため、放熱性が高くなり、より速いアクチュエーションが可能となる。また形状記憶合金アクチュエータ５を複数本束ねることで、剛性を高めることができる。とくに「ツイスト」状態の場合、ツイストされた状態が強いほど、網目の剛性を高めることができる。
【００３０】
図７は形状記憶合金アクチュエータ５からなる心材の周囲に、電歪アクチュエータ８が多層に形成されている場合の一例を示している。なお伸縮自在アクチュエータ１の動作は図１の実施形態と同様である。図７では３層の場合を例示するが、もちろんこれに限られない。このように、多数の電歪アクチュエータ８を重ねることで、電歪アクチュエータ８の断面積が増加して、伸長方向に大きな発生力を得ることができる。しかも、柔軟電極部４の比表面積が高くなることで、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるようになる。
【００３１】
図８は棒状構造の複合アクチュエータ部２を螺旋状に巻き付けることで、チューブ形状に形成する場合の一例を示している。なお伸縮自在アクチュエータ１の動作は図１の実施形態と同様である。本例では、複合アクチュエータ部２の長手方向が伸縮を支配するので、螺旋立体構造をその半径方向Ｂに膨張・収縮させることが可能となる。図８（ｂ）の左側は形状記憶合金９の加熱時、右側は電歪アクチュエータ８の電圧印加時を示している。また螺旋立体構造とすることで、柔軟電極部４の比表面積が高くなり、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるようになる。
【００３２】
図９は棒状構造の複合アクチュエータ部２を網目構造に構成する場合の一例を示している。なお伸縮自在アクチュエータ１の動作は図１の実施形態と同様である。本例のように棒状構造の複合アクチュエータ部２を網目に編み込むことによって、柔軟電極部４の比表面積が高く、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるようになる。しかも、網目構造をした三次元構造の伸縮自在アクチュエータ１が得られるので、柔軟性に富んだものとなるうえに、その編み方によって伸縮・発生力を柔軟に変えることが可能となる。
【００３３】
図１０は、網目構造の複合アクチュエータ部２を筒状立体構造とした場合の一例を示している。なお伸縮自在アクチュエータ１の動作は図１の実施形態と同様である。図１０（ｂ）の左側は形状記憶合金９の加熱時、右側は電歪アクチュエータ８の電圧印加時を示している。本例で筒状立体構造の中心軸に対して、軸方向Ａが伸縮を支配するものである。しかして、網目によって柔軟構造でかつ、編み方により伸縮量・発生力を柔軟に変えられるものである。また柔軟電極部４に電圧を印加することで、筒状立体構造の半径方向Ｂの寸法が収縮し且つ軸方向Ａに伸張するような力を発生させることが可能となり、しかも二次元構造の場合と比べて、筒状立体構造の末端部分も機械的仕事に有効に作用すると共に、二次元構造で必要とされる末端部分のほつれ対策も不要となる。
【００３４】
図１１は網目構造の複合アクチュエータ部２を、多層の筒状立体構造とした場合の一例を示している。なお伸縮自在アクチュエータ１の動作は図１の実施形態と同様である。図１１（ｂ）の左側は形状記憶合金９の加熱時、右側は電歪アクチュエータ８の電圧印加時を示している。本例では、３層の筒状立体構造を有し、その筒状立体構造の中心軸に対して、軸方向Ａが伸縮を支配するものである。しかして、網目によって柔軟構造でかつ、編み方により伸縮量・発生力を柔軟に変えられるものとなる。また柔軟電極部４に電圧を印加することで、筒状立体構造の半径方向Ｂの寸法が収縮し且つ軸方向Ａに伸張するような力を発生させることが可能となり、しかも二次元構造の場合と比べて、筒状立体構造の末端部分も機械的仕事に有効に作用すると共に、二次元構造で必要とされる末端部分のほつれ対策も不要となる。さらに多層化することで同体積の伸縮自在アクチュエータ１よりも大きな出力が得られる。
【００３５】
図１２は表面に絶縁層１０が設けられたファイバー状電歪アクチュエータ８Ａを心材とし、この心材の周囲に、筒状立体構造のメッシュ状形状記憶合金アクチュエータ５Ａを配置する場合の一例を示している。なお伸縮自在アクチュエータ１の動作は図１の実施形態と同様である。図１２の左側は形状記憶合金９の加熱時、右側は電歪アクチュエータ８の電圧印加時を示している。本例では、収縮を形状記憶合金アクチュエータ５が、伸長を電歪アクチュエータ８が担うことで、軸方向Ａに任意の動作をさせることが可能となる。さらに網目によって柔軟構造でかつ、編み方により伸縮量・発生力を柔軟に変えられるものであり、二次元構造の場合と比べて、筒状立体構造の末端部分も機械的仕事に有効に作用すると共に、二次元構造で必要とされる末端部分のほつれ対策も不要となる。
【００３６】
図１３は心材の周囲に、筒状立体構造のメッシュ状形状記憶合金アクチュエータ５Ａとファイバー状電歪アクチュエータ８Ａとを交互に複数層形成する場合の一例を示している。なお伸縮自在アクチュエータ１の動作は図１の実施形態と同様である。図１３の左側は形状記憶合金９の加熱時、右側は電歪アクチュエータ８の電圧印加時を示している。本例では、図１２の作用効果に加えて、伸縮自在アクチュエータ１の断面積が増加するため、伸長・収縮方向ともに大きな発生力を得ることができる。
【００３７】
【発明の効果】
上述のように請求項１記載の発明にあっては、温度制御部による加熱によって収縮する形状記憶合金からなる形状記憶合金アクチュエータと、絶縁性伸縮材料からなる伸縮部の両面に導電性伸縮材料からなる柔軟電極部が各々配置されると共に電圧制御部による柔軟電極部への電圧印加によって延伸する電歪アクチュエータとを複合して、伸縮自在な複合アクチュエータ部を構成したので、温度制御と電圧制御とによって任意に複合アクチュエータ部の伸縮を制御できると共に、収縮を形状記憶合金アクチュエータが担い、延伸（伸張）を電歪アクチュエータが担うことで、小型でありながら軸方向に任意の伸縮動作をさせることが可能な電歪アクチュエータを得ることができる。
【００３８】
また請求項２記載の発明は、温度制御部による加熱によって収縮する形状記憶合金の線材からなる形状記憶合金アクチュエータを心材とし、この心材の周囲に、絶縁性伸縮材料からなる伸縮部の両面に導電性伸縮材料からなる柔軟電極部が各々配置されると共に電圧制御部による柔軟電極部への電圧印加によって延伸する電歪アクチュエータを配置して、伸縮自在な複合アクチュエータ部を棒状構造としたので、温度制御部と電圧制御部とによって任意に複合アクチュエータ部の伸縮を制御できると共に、収縮を形状記憶合金アクチュエータが担い、延伸（伸張）を電歪アクチュエータが担うことで、棒状構造をした小型の複合アクチュエータ部を軸方向に任意の伸縮動作をさせることが可能となる。さらに、形状記憶合金アクチュエータを心材とすることで、伸縮自在アクチュエータの強度を増大させることができる。
【００３９】
また請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の効果に加えて、柔軟電極部の表面が電気絶縁被覆されているので、複合アクチュエータ部を例えば網目等のような繊維構造にした際に、クロス部での短絡等の心配が不要となり、絶縁性に優れた構造となる。
【００４０】
また請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の効果に加えて、心材となる形状記憶合金アクチュエータを少なくとも２本以上配置するので、形状記憶合金の比表面積が大きくなるため、放熱性が高くなり、より速いアクチュエーションが可能となる。
【００４１】
また請求項５記載の発明は、請求項２乃至４のいずれかに記載の効果に加えて、心材の周囲に電歪アクチュエータが多層に形成されているので、電歪アクチュエータの断面積が増加するため、伸長方向に大きな発生力を得ることができる。
【００４２】
また請求項６記載の発明は、請求項２乃至５のいずれかに記載の効果に加えて、棒状構造の複合アクチュエータ部を螺旋状に巻き付けることで、チューブ形状に形成するので、電極の比表面積が高まり、低電圧で高い伸縮・発生力が得られると共に、チューブ形状の半径方向に向かって膨張・収縮する伸縮自在アクチュエータが得られる。
【００４３】
また請求項７記載の発明は、請求項２乃至５のいずれかに記載の効果に加えて、棒状構造の複合アクチュエータ部を網目構造に構成するので、柔軟構造となり、かつ、編み方により伸縮量・発生力を柔軟に変えることが可能となる。そのうえ電極の比表面積が高く低電圧で高い伸縮・発生力が得られる。
【００４４】
また請求項８記載の発明は、請求項７記載の効果に加えて、網目構造の複合アクチュエータ部を筒状立体構造としたので、三次元立体構造とすることで、二次元平面構造の場合と比べて、網目の端部も機械的仕事に有効に作用するものとなり、さらに網目末端のほつれ対策も不要となる。
【００４５】
また請求項９記載の発明は、請求項７記載の効果に加えて、網目構造の複合アクチュエータ部を、多層の筒状立体構造としたので、多層化することで同体積の伸縮自在アクチュエータよりも大きな出力が得られるようになる。
【００４６】
また請求項１０記載の発明は、請求項１記載の効果に加えて、表面に絶縁層が設けられたファイバー状電歪アクチュエータを心材とし、この心材の周囲に、筒状立体構造のメッシュ状形状記憶合金アクチュエータを配置するので、収縮を形状記憶合金アクチュエータが、伸長を電歪アクチュエータが担うことで、軸方向に任意の動作をさせることが可能になると共に、三次元立体構造とすることで、二次元平面構造の場合と比べて、網目の端部も機械的仕事に有効に作用するものとなり、さらに網目末端のほつれ対策も不要となる。
【００４７】
また請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の効果に加えて、心材の周囲に、筒状立体構造のメッシュ状形状記憶合金アクチュエータとファイバー状電歪アクチュエータとを交互に複数層形成するので、伸縮自在アクチュエータの断面積が増加するため、伸長・収縮方向ともに大きな発生力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例を示し、温度制御部と形状記憶合金アクチュエータとの接続状態及び電圧制御部と電歪アクチュエータとの接続状態の説明図である。
【図２】（ａ）は同上の伸縮自在アクチュエータの伸張時、（ｂ）は収縮時を示す図である。
【図３】同上の電歪アクチュエータの伸張動作のメカニズムを説明する概念図である。
【図４】（ａ）（ｃ）は同上の形状記憶合金アクチュエータの収縮動作のメカニズムを説明する概念図、（ｂ）は同上の形状記憶合金アクチュエータの断面図である。
【図５】他の実施形態の説明図である。
【図６】更に他の実施形態の説明図である。
【図７】更に他の実施形態の説明図である。
【図８】（ａ）（ｂ）は同上の複合アクチュエータ部を螺旋状に巻いてチューブ形状とする場合の説明図である。
【図９】（ａ）（ｂ）は同上の複合アクチュエータ部の網目構造の説明図である。
【図１０】（ａ）は同上の網目状複合アクチュエータ部を示し、（ｂ）は同上の網目状複合アクチュエータ部の筒状立体構造の伸縮動作の説明図である。
【図１１】（ａ）は同上の網目状複合アクチュエータ部を示し、（ｂ）は網目状複合アクチュエータ部の筒状立体構造の伸縮動作の説明図である。
【図１２】同上のファイバー状電歪アクチュエータとメッシュ状形状記憶合金アクチュエータとからなる筒状立体構造の伸縮動作の説明図である。
【図１３】同上のファイバー状電歪アクチュエータとメッシュ状形状記憶合金アクチュエータとからなる多層の筒状立体構造の伸縮動作の説明図である。
【符号の説明】
１　伸縮自在アクチュエータ
２　複合アクチュエータ部
３　伸縮部
４　電圧制御部
５　形状記憶合金アクチュエータ
５Ａ　メッシュ状形状記憶合金アクチュエータ
６　温度制御部
７　電圧制御部
８　電歪アクチュエータ
８Ａ　ファイバー状電歪アクチュエータ
９　形状記憶合金
Ａ　軸方向
Ｂ　半径方向[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a telescopic actuator that combines a shape memory alloy and an electrostrictive actuator.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as an electrostrictive actuator that expands and contracts when a voltage is applied, an elastic part made of a sheet-like insulating elastic material, and an electrode part made of a conductive elastic material arranged over the entire surface of both surfaces of the elastic part, 2. Description of the Related Art There is known a configuration including a control unit that controls application of a voltage to an electrode unit. In this type of electrostrictive actuator, when a positive potential is applied to the electrode portion, the ion doping amount of the expansion and contraction portion increases to expand the expansion and contraction portion, and when a negative potential is applied, the ion doping amount of the expansion and contraction portion decreases. By contracting, a force as an actuator can be developed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional electrostrictive actuator has a problem that the amount of expansion and contraction of the actuator is small because the electrode portions are arranged on both surfaces of the expansion and contraction portion. In order to increase the amount of expansion and contraction, it is necessary to increase the surface area of the expansion and contraction portion. In this case, there is a problem that the size of the actuator is increased.
[0004]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problems of the conventional example described above, and has as its object to control the expansion and contraction of the composite actuator part arbitrarily by controlling the temperature and the voltage, and to contract and expand the composite actuator. An object of the present invention is to provide a telescoping actuator that can be freely extended and contracted in the axial direction while having a small size by performing different (extension) operations by different actuators.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, according to the present invention, the shape memory alloy actuator 5 made of the shape memory alloy 9 contracted by heating by the temperature control unit 6 and the conductive member 2 A flexible actuator unit 2 is formed by combining the flexible electrode units 4 made of an elastic material and the electrostrictive actuator 8 which is extended by applying a voltage to the flexible electrode unit 4 by the voltage control unit 7. With this configuration, the expansion and contraction of the composite actuator 2 can be arbitrarily controlled by the temperature control and the voltage control, and the shape memory alloy actuator 5 performs the contraction, and the elongation (extension) is performed. The strain actuator 8 can perform an arbitrary expansion / contraction operation in the axial direction A while being small.
[0006]
Further, in the present invention, the shape memory alloy actuator 5 made of a wire of the shape memory alloy 9 contracted by heating by the temperature control unit 6 is used as a core material, and the elastic member 3 made of an insulating elastic material is provided around the core material. A flexible electrode portion 4 made of a conductive stretchable material is disposed on each side, and an electrostrictive actuator 8 which extends by applying a voltage to the flexible electrode portion 4 by a voltage control portion 7 is disposed, so that the flexible actuator portion 2 is stretchable. Is characterized by having a rod-like structure. With such a configuration, the expansion and contraction of the composite actuator unit 2 can be arbitrarily controlled by the temperature control unit 6 and the voltage control unit 7, and the contraction can be controlled by the shape memory alloy actuator 5. And the stretching (extension) is performed by the electrostrictive actuator 8, so that the small composite actuator 2 having a rod-like structure can be arbitrarily moved in the axial direction A. It is possible to cause the contraction operation. Further, by using the shape memory alloy actuator 5 as a core material, the strength of the telescopic actuator 1 can be increased.
[0007]
Further, it is preferable that the surface of the flexible electrode portion 4 is electrically insulated and coated. With such a configuration, when the composite actuator portion 2 has a fiber structure such as a mesh, for example, a short circuit at the cross portion occurs. There is no need to worry.
[0008]
Further, it is preferable to arrange at least two or more shape memory alloy actuators 5 serving as the core material. With such a configuration, the specific surface area of the shape memory alloy 9 is increased, so that heat dissipation is increased and a faster actuator is provided. Tuning becomes possible.
[0009]
Further, it is preferable that the electrostrictive actuator 8 is formed in multiple layers around the core material. With such a configuration, the cross-sectional area of the electrostrictive actuator 8 increases, so that a large generated force can be obtained in the extension direction. Can be.
[0010]
Further, it is preferable that the composite actuator portion 2 having the rod-like structure is spirally wound to be formed in a tube shape. With such a configuration, the specific surface area of the electrode is increased, and a high expansion / contraction / generating force at a low voltage is obtained. As a result, the telescopic actuator 1 which expands and contracts in the radial direction B of the tube shape is obtained.
[0011]
In addition, it is preferable that the composite actuator portion 2 having the rod-like structure is formed in a mesh structure. With such a structure, a flexible structure can be obtained, and the amount of expansion / contraction / generated force can be flexibly changed depending on the knitting method. . In addition, the specific surface area of the electrode is high, and a high expansion / contraction force can be obtained at a low voltage.
[0012]
In addition, it is preferable that the composite actuator portion 2 having the mesh structure has a cylindrical three-dimensional structure. With such a configuration, the ends of the mesh effectively act on mechanical work as compared with the two-dimensional planar structure. In addition, it is not necessary to take measures against fraying at the end of the mesh.
[0013]
In addition, it is preferable that the composite actuator section 2 having the mesh structure has a multilayer tubular three-dimensional structure. With such a configuration, the multilayer actuator can provide a larger output than the telescopic actuator 1 having the same volume. Become like
[0014]
It is preferable that the fiber electrostrictive actuator 8A provided with the insulating layer 10 on its surface is used as a core material, and the cylindrical shape memory alloy actuator 5A having a three-dimensional cylindrical structure is arranged around the core material. This allows the shape memory alloy actuator 5 to perform contraction and the electrostrictive actuator 8 to perform expansion, thereby allowing arbitrary movement in the axial direction A, and forming a three-dimensional structure to form a mesh end. The portion also effectively acts on the mechanical work, and furthermore, there is no need to take measures against fraying at the end of the mesh.
[0015]
In addition, it is preferable that a plurality of layers of mesh-shaped shape memory alloy actuators 5A and fibrous electrostrictive actuators 8A having a cylindrical three-dimensional structure are alternately formed around the core material. Increases in cross-sectional area, a large generated force can be obtained in both the extension and contraction directions.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the accompanying drawings.
[0017]
FIG. 1 shows an example of the control structure of the telescopic actuator 1 of the present invention. FIG. 2 (a) shows the telescopic actuator 1 at the time of extension, and FIG. 2 (b) shows the contraction (at the time of cooling).
[0018]
The telescopic actuator 1 has a shape memory alloy actuator 5 made of a shape memory alloy 9 (SMA) that contracts when heated by the temperature control unit 6 and a flexible part made of a conductive elastic material on both sides of an elastic part 3 made of an insulating elastic material. An electrode unit 4 is provided, and includes a telescopic composite actuator unit 2 in which an electrostrictive actuator 8 (electrostrictive polymer) is extended by application of a voltage to the flexible electrode unit 4 by a voltage control unit 7. By applying and releasing the voltage from the voltage control unit 7 to the flexible electrode unit 4, the electrostrictive actuator 8 performs the expansion and contraction operation in the axial direction A. By controlling the heating temperature, the shape memory alloy actuator 5 expands and contracts in the axial direction A. In this example, the shape memory alloy actuator 5 made of a wire is used as a core material, and a cylindrical electrostrictive actuator 8 is arranged around the core material, so that the extensible composite actuator portion 2 has a rod-like structure. Although the electrostrictive actuator 8 has a hollow cylindrical shape, its cross-sectional shape is not limited to a cylinder but may be a triangle, a square, or the like. The heat source of the shape memory alloy 9 includes a heat conductor and an electric heater.
[0019]
On the other hand, the insulating stretchable material constituting the electrostrictive actuator 8 is a material having flexibility and a high dielectric constant (about 1.0 F / m or more) such as acrylic elastomer and silicon. The flexible electrode portion 4 is made of an electrode material that ensures electrical conductivity by mixing carbon black, a noble metal filler, and the like into the material (liquid).
[0020]
Here, the mechanism by which the cylindrical electrostrictive actuator 8 expands and contracts will be described. When a voltage is applied to both sides of the insulating stretchable material, a phenomenon occurs in which the flexible electrode portion 4 is charged and the flexible electrode portion 4 attracts and expands and contracts due to Coulomb force. It expands and contracts. As shown in FIG. 3A, an electrostrictive actuator 8 configured by arranging flexible electrode portions 4 made of a conductive elastic material on both inside and outside surfaces of an elastic portion 3 made of an insulating elastic material made of a polymer such as silicon as shown in FIG. In FIG. 3B, when the thickness of the outer diameter is t, and the voltage applied from the voltage control unit 7 to the flexible electrode unit 4 is V, the generated stress (isotropic) indicated by P and the electric field direction distortion indicated by Δz (Shrinkage), the electric field indicated by Δx and the strain (stretching) in the vertical direction can be obtained by the following equations. In the following equation, e ₀ ・ E _r : Dielectric constant of polymer (F / m), E: electric field between electrodes (V / m), Y: Young's modulus of polymer (Pa).
・ Generated stress (isotropic)
P = e ₀ ・ Ε _r ・ E ² = Ε ₀ ・ Ε _r ・ V ² / T ² (Pa)
・ Electric field direction distortion (shrinkage)
Δz = ε ₀ ・ Ε _r ・ E ² / Y = ε ₀ ・ Ε _r ・ V ² / Y ・ t ² (%)
・ Electric field and vertical strain (stretching)
Δx = 0.5 · ε ₀ ・ Ε _r ・ E ² /Y=0.5ε ₀ ・ Ε _r ・ V ² / Y ・ t ² (%)
That is, the electrostrictive actuator 8 shown in FIG. 3 changes its own shape by displacing the Coulomb force acting between the molecules due to fluctuations in the applied voltage and current, that is, accompanying the elongation of the electrostrictive actuator 8 in the axial direction A. The power of the linear motion is generated by the change of the expansion and contraction of the surface area. Note that 5a in FIG. 3 is a hollow portion into which the shape memory alloy actuator 5 is inserted.
[0021]
On the other hand, the shape memory alloy 9, that is, the “SMA” material is formed from an alloy (Nitinol) having a mixing ratio of nickel and titanium of about 50%. In addition, some copper (Cu) and aluminum may be mix | blended. This "SMA" material can be deformed from its parent phase shape in the martensitic phase at low temperatures. Then, when heated to a temperature higher than the phase transformation temperature to enter the austenitic phase state, the shape memory alloy 9 tends to return to the original shape, that is, the “mother phase” shape. Thus, one advantageous property of the SMA is that the force is generated by the material being heated back up. By covering the surface of the “SMA” material with the electrical insulating layer 10, the shape memory alloy actuator 5 as a core shown in FIG. 4B is formed.
[0022]
Here, the mechanism by which the shape memory alloy actuator 5 expands and contracts will be described. A direct current is supplied to the shape memory alloy 9 from the temperature control unit 6 to heat the shape memory alloy 9 by Joule heat, and an actuator is used by utilizing the superelastic action when the shape memory alloy 9 suddenly returns to the stored shape (FIG. 4C). reference). When the switch 11 of the temperature control unit 6 is turned off, the linear shape memory alloy 9 is cooled by heat radiation, the rigidity is reduced, and the linear shape memory alloy 9 is extended by the bias force (see FIG. 4A). It becomes.
[0023]
In addition, as the insulating layer 10 of the shape memory alloy 9, for example, polyimide or polyparaxylene is coated by vapor deposition polymerization to enhance the insulating function. In this way, the insulating layer 10 is obtained by vapor deposition polymerization. Alternatively, the insulating layer 10 may be obtained by an oxidation treatment such as high-temperature oxidation, electrolytic oxidation, or oxidation by a chemical conversion treatment. Alternatively, activation treatment → zinc plating → chemical conversion treatment such as a phosphate treatment (Zn phosphate) , Mn, Fe) or a chromate treatment (black chromate, olive chromate) or the like, and the insulating layer 10 may be formed by a chemical conversion treatment. Further, the insulating layer 10 may be formed by an inorganic coating such as a ceramic coat or a glass coat. May be obtained. By the way, in order to enhance the thermal conductivity of the insulating layer 10, for example, a heat sink layer is formed on the insulating layer 10 by dip coating a high thermal conductive silicon solution, or a shape at the time of operation such as Cu, Ag, or Au. A metal thin film having a high elastic modulus enough to withstand expansion and contraction of the memory alloy 9 is formed on the insulating layer 10. For forming such a metal thin film, a physical treatment such as sputtering or a vapor deposition treatment such as chemical vapor deposition is suitably used.
[0024]
Thus, in the telescopic actuator 1 of the present invention, when the switch 11 of the temperature control unit 6 is OFF and the switch 12 of the voltage control unit 7 is ON, the insulating elastic material part is moved in the radial direction B by electrostatic attraction between the electrodes. And stretched in the axial direction A. At this time, as shown in FIG. 2A, the electrostrictive actuator 8 becomes a bias force, and the SMA is in an extended state. On the other hand, as shown in FIG. 2B, if the power supply to the temperature control unit 6 is started when the switch 12 of the voltage control unit 7 is OFF, the SMA is heated by Joule heat, and a force is generated together with the shape recovery operation. I do. The displacement / generation force at the time of these changes is taken out from the output portion in contact with the SMA, thereby forming the telescopic actuator 1.
[0025]
As described above, the expansion and contraction of the composite actuator section 2 can be arbitrarily controlled by the temperature control and the voltage control, and the contraction is performed by the shape memory alloy actuator 5 and the extension (extension) is performed by the electrostrictive actuator 8. 2 can be freely extended and retracted in the axial direction A.
[0026]
Further, in this example, since the shape memory alloy actuator 5 made of a wire is used as the core, the strength of the telescopic actuator 1 increases. Further, since the insulating layer 10 is formed on the surface of the shape memory alloy 9, the shape memory alloy actuator 5 can be improved in flexibility, elasticity, and generating force, but the insulating layer is not required when the electric heating is performed. 10 provides electrical insulation and lowers the current value during energization and heating. As a result, high-speed heating can be performed with a low current, so that the responsiveness of the actuator can be improved. The output can be reduced to reduce the size.
[0027]
Further, by forming the electrostrictive actuator 8 in a cylindrical shape, it is possible to increase the surface area while reducing the thickness of the insulative stretchable material forming the stretchable portion 3, and to increase and decrease the inside and outside of the tubular stretchable portion 3. By arranging the flexible electrode portions 4 on both surfaces, a uniform electric field can be applied to both the inner and outer surfaces of the expandable portion 3, whereby both an increase in the amount of expansion and contraction and miniaturization can be easily realized. is there.
[0028]
FIG. 5 shows an example of a case where the surface of the flexible electrode section 4 is covered with an electric insulation. The operation of the telescopic actuator 1 is the same as that of the embodiment shown in FIG. In this example, dip coating of urethane, parylene, polyimide vapor deposition polymerization, or the like is performed as the electrical insulating coating method, and the insulating material is preferably a material having a low Young's modulus that follows expansion and contraction of the polymer. Thus, by electrically insulating the surface of the flexible electrode section 4, when the composite actuator section 2 is formed into a fiber structure such as a mesh as described later, there is no need to worry about a short circuit at the cross section.
[0029]
FIG. 6 shows an example in which at least two or more shape memory alloy actuators 5 as core materials are arranged. The operation of the telescopic actuator 1 is the same as that of the embodiment shown in FIG. This example shows a case in which three shape memory alloy actuators 5 are bundled, and each shape memory alloy wire may be in a “stranded” or “twisted” state. Thus, by arranging a plurality of shape memory alloy actuators 5, the specific surface area of the shape memory alloy 9 is increased, so that heat dissipation is improved and faster actuation is possible. By bundling a plurality of shape memory alloy actuators 5, rigidity can be increased. In particular, in the case of the “twisted” state, the stronger the twisted state, the higher the rigidity of the mesh.
[0030]
FIG. 7 shows an example in which the electrostrictive actuator 8 is formed in multiple layers around a core made of the shape memory alloy actuator 5. The operation of the telescopic actuator 1 is the same as that of the embodiment shown in FIG. FIG. 7 illustrates the case of three layers, but is not limited to this. In this way, by stacking a large number of electrostrictive actuators 8, the cross-sectional area of the electrostrictive actuator 8 increases, and a large generated force can be obtained in the extension direction. In addition, since the specific surface area of the flexible electrode portion 4 is increased, a high expansion / contraction force can be obtained at a low voltage.
[0031]
FIG. 8 shows an example in which the composite actuator section 2 having a rod-like structure is spirally wound to form a tube shape. The operation of the telescopic actuator 1 is the same as that of the embodiment shown in FIG. In this example, since the longitudinal direction of the composite actuator section 2 governs expansion and contraction, the spiral three-dimensional structure can be expanded and contracted in the radial direction B thereof. 8B shows the state when the shape memory alloy 9 is heated, and the right side shows the state when the voltage of the electrostrictive actuator 8 is applied. In addition, by adopting the spiral three-dimensional structure, the specific surface area of the flexible electrode part 4 is increased, and a high expansion / contraction / generating force can be obtained at a low voltage.
[0032]
FIG. 9 shows an example of a case where the composite actuator section 2 having a rod-like structure is configured in a mesh structure. The operation of the telescopic actuator 1 is the same as that of the embodiment shown in FIG. By knitting the rod-shaped composite actuator portion 2 into a mesh as in this example, the specific surface area of the flexible electrode portion 4 is high, and high expansion / contraction / generation force can be obtained at a low voltage. In addition, since the telescopic actuator 1 having a three-dimensional structure having a mesh structure can be obtained, the actuator is rich in flexibility and the expansion / contraction / generating force can be flexibly changed depending on the knitting method.
[0033]
FIG. 10 shows an example in which the composite actuator section 2 having a mesh structure has a cylindrical three-dimensional structure. The operation of the telescopic actuator 1 is the same as that of the embodiment shown in FIG. The left side of FIG. 10B shows the state when the shape memory alloy 9 is heated, and the right side shows the state when the voltage of the electrostrictive actuator 8 is applied. In this example, the axial direction A governs expansion and contraction with respect to the central axis of the cylindrical three-dimensional structure. Thus, the mesh has a flexible structure, and the amount of expansion and contraction and the generation force can be flexibly changed by the weaving method. Further, by applying a voltage to the flexible electrode portion 4, it becomes possible to generate a force such that the dimension of the cylindrical three-dimensional structure in the radial direction B contracts and expands in the axial direction A, and in the case of a two-dimensional structure. In comparison with this, the end portion of the cylindrical three-dimensional structure also effectively acts on mechanical work, and measures against fraying of the end portion required in the two-dimensional structure become unnecessary.
[0034]
FIG. 11 shows an example in which the composite actuator section 2 having a mesh structure has a multilayer cylindrical three-dimensional structure. The operation of the telescopic actuator 1 is the same as that of the embodiment shown in FIG. 11B shows the state when the shape memory alloy 9 is heated, and the right side shows the state when the voltage of the electrostrictive actuator 8 is applied. In this example, the cylindrical three-dimensional structure has a three-layer structure, and the axial direction A governs expansion and contraction with respect to the central axis of the cylindrical three-dimensional structure. Thus, the mesh has a flexible structure, and the amount of expansion and contraction and the generation force can be flexibly changed by the knitting method. Further, by applying a voltage to the flexible electrode portion 4, it becomes possible to generate a force such that the dimension of the cylindrical three-dimensional structure in the radial direction B contracts and expands in the axial direction A, and in the case of a two-dimensional structure. In comparison with this, the end portion of the cylindrical three-dimensional structure also effectively acts on mechanical work, and measures against fraying of the end portion required in the two-dimensional structure become unnecessary. Further, by forming a multilayer structure, an output larger than that of the telescopic actuator 1 having the same volume can be obtained.
[0035]
FIG. 12 shows an example in which a fibrous electrostrictive actuator 8A provided with an insulating layer 10 on the surface is used as a core material, and a mesh shape memory alloy actuator 5A having a three-dimensional cylindrical structure is arranged around the core material. . The operation of the telescopic actuator 1 is the same as that of the embodiment shown in FIG. The left side of FIG. 12 shows the state when the shape memory alloy 9 is heated, and the right side shows the state when the voltage of the electrostrictive actuator 8 is applied. In this example, the shape memory alloy actuator 5 performs the contraction and the electrostrictive actuator 8 performs the expansion, so that any operation can be performed in the axial direction A. Furthermore, the mesh has a flexible structure, and the amount of expansion and contraction and the generation force can be changed flexibly by knitting. Compared with the case of the two-dimensional structure, the end of the cylindrical three-dimensional structure also effectively acts on mechanical work. At the same time, it is not necessary to take measures against fraying of the end portion required in the two-dimensional structure.
[0036]
FIG. 13 shows an example of a case where a plurality of layers of a mesh-shaped shape memory alloy actuator 5A and a fibrous electrostrictive actuator 8A having a cylindrical three-dimensional structure are alternately formed around a core material. The operation of the telescopic actuator 1 is the same as that of the embodiment shown in FIG. The left side of FIG. 13 shows a state when the shape memory alloy 9 is heated, and the right side shows a state when a voltage is applied to the electrostrictive actuator 8. In this example, in addition to the operation and effect of FIG. 12, since the cross-sectional area of the telescopic actuator 1 increases, a large generated force can be obtained in both the extension and contraction directions.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, a shape memory alloy actuator made of a shape memory alloy that contracts when heated by a temperature control unit, and a conductive stretch material on both sides of an stretchable portion made of an insulating stretchable material. The flexible electrode sections are arranged respectively, and the electrostrictive actuator that extends by applying a voltage to the flexible electrode section by the voltage control section is combined to form a stretchable composite actuator section, so that temperature control and voltage control are performed. The expansion and contraction of the composite actuator can be controlled arbitrarily, and the shape memory alloy actuator is responsible for contraction and the electrostriction actuator is responsible for extension (extension). A possible electrostrictive actuator can be obtained.
[0038]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a shape memory alloy actuator made of a wire rod of a shape memory alloy which contracts when heated by the temperature control unit, and a conductive material is provided around the core material on both sides of the stretchable portion made of an insulating stretchable material. Since the flexible electrode portions made of elastically stretchable material are arranged, and an electrostrictive actuator that extends by applying a voltage to the flexible electrode portion by the voltage control portion is arranged, and the stretchable composite actuator portion has a rod-shaped structure, The control unit and the voltage control unit can arbitrarily control the expansion and contraction of the composite actuator unit, the contraction is performed by the shape memory alloy actuator, and the extension (extension) is performed by the electrostrictive actuator, so that the composite actuator has a rod-like structure. The part can be freely extended and contracted in the axial direction. Further, by using the shape memory alloy actuator as a core material, the strength of the telescopic actuator can be increased.
[0039]
According to a third aspect of the present invention, in addition to the effect of the first or second aspect, since the surface of the flexible electrode portion is electrically insulated and coated, the composite actuator portion has a fiber structure such as a mesh. In addition, there is no need to worry about a short circuit or the like at the cross portion, and a structure having excellent insulation properties is obtained.
[0040]
According to the fourth aspect of the present invention, in addition to the effect of the second or third aspect, since at least two or more shape memory alloy actuators serving as a core material are arranged, the specific surface area of the shape memory alloy is increased, so that heat dissipation is improved. And actuation becomes faster.
[0041]
According to the fifth aspect of the invention, in addition to the effect of any of the second to fourth aspects, since the electrostrictive actuator is formed in multiple layers around the core, the cross-sectional area of the electrostrictive actuator increases. Therefore, a large generated force can be obtained in the extension direction.
[0042]
According to a sixth aspect of the present invention, in addition to the effect of any of the second to fifth aspects, since the composite actuator portion having a rod-like structure is spirally wound to form a tube, the specific surface area of the electrode is increased. And a high expansion / contraction force can be obtained at a low voltage, and a telescopic actuator that expands / contracts in the radial direction of the tube shape can be obtained.
[0043]
According to a seventh aspect of the present invention, in addition to the effect of any of the second to fifth aspects, since the composite actuator portion having the rod-like structure is formed in a mesh structure, the structure becomes a flexible structure, and the amount of expansion and contraction depends on the knitting method. -It is possible to flexibly change the generation force. In addition, the specific surface area of the electrode is high, and a high expansion / contraction force can be obtained at a low voltage.
[0044]
According to an eighth aspect of the present invention, in addition to the effect of the seventh aspect, the composite actuator portion having a mesh structure has a cylindrical three-dimensional structure. On the other hand, the end of the mesh also effectively acts on the mechanical work, and furthermore, it is not necessary to take measures against fraying at the end of the mesh.
[0045]
According to the ninth aspect of the present invention, in addition to the effect of the seventh aspect, the composite actuator portion having the mesh structure has a multilayer cylindrical three-dimensional structure. Large output can be obtained.
[0046]
According to a tenth aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, a fibrous electrostrictive actuator provided with an insulating layer on its surface is used as a core material, and a mesh-like cylindrical three-dimensional structure is formed around the core material. Since the memory alloy actuator is arranged, the shape memory alloy actuator performs contraction, and the electrostriction actuator performs expansion, so that any operation can be performed in the axial direction, and by forming a three-dimensional structure, Compared with the case of the two-dimensional planar structure, the end of the mesh also effectively acts on the mechanical work, and furthermore, there is no need to take measures against fraying of the end of the mesh.
[0047]
According to an eleventh aspect of the present invention, in addition to the effect of the tenth aspect, a plurality of layers of a mesh shape memory alloy actuator and a fibrous electrostrictive actuator having a cylindrical three-dimensional structure are alternately formed around the core material. Since the cross-sectional area of the telescopic actuator increases, a large generated force can be obtained in both the extension and contraction directions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 illustrates an example of an embodiment of the present invention, and is an explanatory diagram of a connection state between a temperature control unit and a shape memory alloy actuator and a connection state between a voltage control unit and an electrostrictive actuator.
FIG. 2 (a) is a view showing the same when the telescopic actuator is extended, and FIG.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a mechanism of extension of the electrostrictive actuator according to the first embodiment.
FIGS. 4A and 4C are conceptual diagrams illustrating a mechanism of a contraction operation of the shape memory alloy actuator according to the embodiment, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the shape memory alloy actuator according to the embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram of another embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram of still another embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram of still another embodiment.
FIGS. 8A and 8B are explanatory diagrams of a case where the composite actuator unit is spirally wound into a tube shape.
FIGS. 9A and 9B are explanatory diagrams of a mesh structure of the composite actuator unit according to the first embodiment.
10A is a diagram illustrating a mesh-shaped composite actuator unit according to the first embodiment, and FIG. 10B is an explanatory diagram illustrating an expansion / contraction operation of the tubular three-dimensional structure of the mesh-shaped composite actuator unit according to the first embodiment.
11A is a diagram illustrating a mesh-shaped composite actuator unit according to the first embodiment, and FIG. 11B is an explanatory diagram of an expansion / contraction operation of a tubular three-dimensional structure of the mesh-shaped composite actuator unit.
FIG. 12 is an explanatory diagram of an expansion / contraction operation of a cylindrical three-dimensional structure including the fibrous electrostrictive actuator and the mesh-shaped shape memory alloy actuator.
FIG. 13 is an explanatory view of the expansion / contraction operation of a multilayer cylindrical three-dimensional structure including the fibrous electrostrictive actuator and the mesh-shaped shape memory alloy actuator.
[Explanation of symbols]
1 Telescopic actuator
2 Composite actuator
3 Telescopic part
4 Voltage control unit
5 Shape memory alloy actuator
5A mesh shape memory alloy actuator
6 Temperature controller
7 Voltage controller
8 Electrostrictive actuator
8A Fiber-like electrostrictive actuator
9 Shape memory alloy
A axis direction
B radial direction

Claims

A shape memory alloy actuator made of a shape memory alloy that contracts when heated by the temperature control section, and flexible electrode sections made of a conductive stretchable material are respectively arranged on both sides of an expandable section made of an insulating stretchable material, and the flexible section is made flexible by a voltage control section. A telescopic actuator, comprising: a composite actuator part configured by combining an electrostrictive actuator that extends by applying a voltage to an electrode part.

A shape memory alloy actuator made of a shape memory alloy wire that contracts when heated by the temperature control unit is used as a core material. Around this core material, flexible electrode parts made of a conductive elastic material are provided on both sides of an elastic part made of an insulating elastic material. A telescopic actuator characterized by comprising an electrostrictive actuator which is respectively arranged and extends by application of a voltage to a flexible electrode part by a voltage control part, and a telescopic composite actuator part has a rod-like structure.

3. The telescopic actuator according to claim 1, wherein the surface of the flexible electrode portion is coated with an electric insulation.

The telescopic actuator according to claim 2 or 3, wherein at least two or more shape memory alloy actuators serving as a core material are arranged.

The telescopic actuator according to any one of claims 2 to 4, wherein an electrostrictive actuator is formed in multiple layers around the core material.

The telescopic actuator according to any one of claims 2 to 5, wherein the composite actuator portion having a rod-like structure is formed into a tube shape by spirally winding the composite actuator portion.

The telescopic actuator according to any one of claims 2 to 5, wherein the rod-shaped composite actuator section is configured in a mesh structure.

8. The telescopic actuator according to claim 7, wherein the meshed composite actuator section has a cylindrical three-dimensional structure.

The telescopic actuator according to claim 7, wherein the composite actuator part having a mesh structure has a multilayer cylindrical three-dimensional structure.

2. A telescopic actuator according to claim 1, wherein a core member is a fibrous electrostrictive actuator having an insulating layer provided on a surface thereof, and a mesh shape memory alloy actuator having a cylindrical three-dimensional structure is arranged around the core member. .

11. The telescopic actuator according to claim 10, wherein a plurality of layers of a mesh-shaped shape memory alloy actuator and a fibrous electrostrictive actuator having a cylindrical three-dimensional structure are alternately formed around the core material.