JP2005046323A

JP2005046323A - アクチュエータ

Info

Publication number: JP2005046323A
Application number: JP2003281219A
Authority: JP
Inventors: Takao Goto; 孝夫後藤; Shigeru Douno; 茂堂埜; Akihiko Saito; 亮彦斎藤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】締め付け力が強いアクチュエータを提供する。
【解決手段】環状に形成された形状記憶合金からなる環状体１０にその周方向に沿って略Ｃ字状をした弾性体１１を設けてアクチュエータ部１を形成した。前記環状体１０に電圧を印加して発熱させることでアクチュエータ部１の径を変化させる電圧印加部２を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状記憶合金を用いたアクチュエータに関するものである。

従来から、腕や脚等の対象物をその全周から締め付けるアクチュエータとして、エアバッグが用いられていたが、エアバッグを用いたアクチュエータは、エアをエアバッグ内に出し入れすることで動作させるため、応答性が悪いものであった。そこで、形状記憶合金を用いたアクチュエータが用いられるようになった（例えば、特許文献１参照）。これは、切り欠きを設けたバネ部材とアクチュエータ部材とからなり、バネ部材の内側にアクチュエータ部材を沿わせて略Ｃ字状をしたアクチュエータを構成したものである。このアクチュエータは、アクチュエータ部材に通電加熱することでアクチュエータの径を変化させ、アクチュエータ部材への通電を停止することでバネ部材のバイアス力によってアクチュエータの径を元に戻すものである。

このような従来の形状記憶合金を用いたアクチュエータにあっては、形状記憶合金からなるアクチュエータ部材を通電・過熱によって伸縮変形させることでアクチュエータの径を変化させているため、形状記憶合金からなるアクチュエータ部材が略Ｃ字状のように不連続部を有すると形状記憶合金が収縮しても大部分がアクチュエータ部材の径の収縮力とはなり得ず、対象物の締め付け力が弱いものであった。

また、アクチュエータ内の対象物に接する部分が略Ｃ字状をしていると、断面略円形状をした変形し難いものを掴むには適しているものの、腕や脚のように掴んだ際に容易に変形する柔らかいものを掴む際には、切り欠いた部分に腕や脚の一部が挟まってしまう惧れがあるものであった。
特開２００１−１３８２９７号公報

本発明は上記の従来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、締め付け力が強いアクチュエータを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために請求項１に係る発明にあっては、環状に形成された形状記憶合金からなる環状体１０にその周方向に沿って略Ｃ字状をした弾性体１１を設けてアクチュエータ部１を形成し、前記環状体１０に電圧を印加して発熱させることでアクチュエータ部１の径を変化させる電圧印加部２を設けて成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、アクチュエータ部１の径を小さくするのに形状記憶合金からなる環状体１０の長さを短くしてその径を小さくすることで行うため、形状記憶合金が略Ｃ字状等のように環状ではなく部分的に切欠を有するものと比べてアクチュエータ部１の径の収縮力を強くして締め付け力を全周に均一にすることができる。

また、請求項２の発明は、環状に形成された形状記憶合金からなる環状体１０の内側に容易に変形する環状の内磁性体１３を設けると共に、非通電加熱時の環状体１０の外側に高剛性の外磁性体１４を設けてアクチュエータ部１を形成し、前記環状体１０に電圧を印加して発熱させることでアクチュエータ部１の径を変化させる電圧印加部２を設けて成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、アクチュエータ部１の径を小さくするのに形状記憶合金からなる環状体１０の長さを短くしてその径を小さくすることで行うため、形状記憶合金が略Ｃ字状等のように環状ではなく部分的に切欠を有するものと比べてアクチュエータ部１の径の収縮力を強くして締め付け力を全周に均一にすることができ、アクチュエータ部１の径を大きくにあたって内磁性体１３及び外磁性体１４にて環状体１０を広げることができる。

また、請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、複数のアクチュエータ部１を積層して成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、異なる複数の箇所が締め付け可能となる。

また、請求項４の発明は、請求項３の発明において、複数のアクチュエータ部１を連携動作させる制御部を設けて成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、複数のアクチュエータ部１の収縮動作を連携させて様々なパターンの動作を行うことができる。

また、請求項５の発明は、伸縮しない柔軟材料１２を二重筒状に配置した筒袋１５ａ内に流動性部材１５ｂを充填して環状をした柔軟部材１５を形成すると共に、前記柔軟部材１５の外側に複数の環状体１０を積層してアクチュエータ部１を形成し、前記環状体１０に電圧を印加して発熱させることでアクチュエータ部１の径を変化させる電圧印加部２を設けて成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、リリース（圧迫からの解放）の速度を向上することが可能となる。

本発明にあっては、形状記憶合金からなる環状体を形成したことで、前記形状記憶合金に通電加熱した時に環状体にて強く締め付けることが可能となる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。本発明のアクチュエータは、身体の特に腕や脚等を締め付けるためのマッサージ機や、その他、外周から略円形状をした対象物Ｂを締め付ける装置等に用いられるものであるが、特に限定されない。

アクチュエータは、図１に示すように、径が変化するように動作するアクチュエータ部１と、前記アクチュエータ部１を動作させるために電圧を印加する電圧印加部２とで主体が構成される。

アクチュエータ部１は、形状記憶合金を環状に形成した環状体１０と、環状体１０の周方向に沿って設けた弾性体１１とで構成される。形状記憶合金は、Ｎｉ−Ｔｉ、又はＮｉ−Ａｌ、又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃなどで形成され、常温では伸張した状態となると共に、加熱した時に収縮するように形成してある。そして、この環状体１０の内側又は外側には弾性体１１が設けてある。弾性体１１は、例えばピアノ線、バネ鋼で形成されるもので、切欠を有する略Ｃ字状に形成される。図１に示す実施形態では、環状体１０の内側に弾性体１１を設けてある。この弾性体１１は、常温において環状体１０がなす略円形状の内側に沿った形状を無負荷状態における形状となるように形成してある。また電圧印加部２は、アクチュエータ部１の環状体１０をなす形状記憶合金の両端部にそれぞれ導線（図示せず）を接続して該導線に電圧を印加して形状記憶合金に通電し、そのジュール熱にて形状記憶合金を加熱するものである。

このアクチュエータの動作について説明する。電圧印加部２にてアクチュエータ部１の環状体１０をなす形状記憶合金に通電加熱すると、環状体１０が収縮し（記憶した形状に戻り）、環状体１０が収縮してその径が小さくなり、この時環状体１０は弾性体１１のバイアス力に抗って径が小さくなることで環状体１０及び弾性体１１からなるアクチュエータ部１の径が小さくなるものである。これにより、環状をしたアクチュエータ部１内に挿通される腕や脚といった身体等の対象物Ｂをその外周全周から締め付けることができる。そして、対象物Ｂの締め付けを解除するには、電圧印加部２によるアクチュエータ部１への通電を停止する。これにより、形状記憶合金が伸張して環状体１０の周方向長さが長くなり、この時弾性体１１のバイアス力によって弾性体１１及び環状体１０からなるアクチュエータ部１の径が大きくなって、外周全周から締め付けていた対象物Ｂを解放するものである。

以上のような構成によれば、形状記憶合金からなる環状体１０に略Ｃ字状をした弾性体１１を設けてアクチュエータ部１を形成し、電圧印加部２にて形状記憶合金に通電加熱してアクチュエータ部１の径を小さくすると共に、前記通電加熱を停止して弾性体１１のバイアス力にてアクチュエータ部１の径を大きくするようにしたことで、アクチュエータ部１の径を小さくするのに形状記憶合金からなる環状体１０の長さを短くしてその径を小さくすることで行うため、形状記憶合金が略Ｃ字状等のように環状ではなく部分的に切欠を有するものと比べてアクチュエータ部１の径の収縮力を強くして締め付け力を全周に均一にすることができる。また、弾性体１１を略Ｃ字状にしたことで弾性体１１の縮み代を形成することができて、環状体１０による収縮力を一層良く発揮することができる。また、環状体１０の内側に弾性体１１を設けたことで、弾性体１１が環状体１０の径を大きくするのに環状体１０の内側から押し広げることとなって、環状体１０と弾性体１１とを特に固着する必要がない。

また、アクチュエータ部１は、伸縮しない柔軟材料１２、例えばナイロン、ポリウレタン、木綿等の繊維織物に織り込まれるように形成してもよい。図３に伸縮しない柔軟材料１２にて弾性体１１を覆うように織り込んで環状体１０を設けた例を示す。また、図１１に示すように、環状体１０をその全周を形状記憶合金にて形成するのではなく、周方向の一部を形状記憶合金１０ａで形成すると共に、周方向の形状記憶合金１０ａ以外の部分を前記伸縮しない柔軟材料１２にて形成してもよい。

また、他例として図２に示すように、アクチュエータ部１を環状体１０の外側に弾性体１１を設けて形成してもよい。このようにすることで、弾性体１１が環状体１０の内側に設けてあるもののように内部に挿通される対象物Ｂを締め付ける際に略Ｃ字状をした弾性体１１の切欠に対象物Ｂが挟まれる惧れが無い。

また、更に他例として、図４に示すように、環状をしたアクチュエータ部１の内側の対象物Ｂと接触する部分に断熱層３を設けてもよい。この例では、弾性体１１の内側に設けた環状体１０の内側にグラスウール又はロックウール又はセラミックファイバー等の断熱材からなる断熱層３を設けてある。このようにすることで、通電加熱される環状体１０にて発生した熱が対象物Ｂに伝わるのを抑えることができる。

また、更に他例として、図５に示すように、環状をしたアクチュエータ部１の内側の対象物Ｂと接触する部分に突起４０を設けるか又は突起４０を有する部材４を設けてもよい。弾性体１１の内側に設けた環状体１０の内側に断熱層３を設けると共に、更に前記断熱層３の内側にポリアセタール又はモノマーキャスティングポリアミド等からなる突起４０層を設けた実施形態を示す。突起４０としては、図６（ａ）に示すように曲面で覆われた突起４０や、図６（ｂ）に示すように平面にて囲まれた突起４０や、図６（ｃ）に示すように先端が点状となった突起４０等、種々のものが考えられる。この突起４０は断熱材で形成してあってもよく、また、アクチュエータ部１が収縮した時に突起４０が内側に突出するように形成してあるものでもよい。このようにすることで、対象物Ｂの締め付け方法（圧迫方法）に変化を持たせることができる。

また、更に他例として、図７に示すように、アクチュエータ部１の弾性体１１に複数の孔５１又は溝５２を設けてもよい。これは、図７（ａ）に示すように弾性体１１に複数の孔５１を設けたり、あるいは図７（ｂ）に示すように弾性体１１の外表面に溝５２を設けたり、あるいは図７（ｃ）に示すように弾性体１１を細孔を有するメッシュにて形成したり、あるいは図７（ｄ）に示すように弾性体１１の表面に突起４０を設けて表面積を広くしたものである。また、孔５１の形状は図７（ａ）に示す円形の他に、多角形等であってもよい。また、突起４０は弾性体１１の内表面又は／及び外表面に設けてもよい。このようにすることで、通電加熱される形状記憶合金からなる環状体１０の放熱性を良くすることができる。

次に、他の実施形態について図８に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と共通の部分については同一符号を付して説明を省略し、主に異なる部分について説明する。

本実施形態は、形状記憶合金からなる環状体１０の内側に容易に変形する環状の内磁性体１３を設けると共に、非通電加熱時の環状体１０の外側に高剛性の外磁性体１４を設けたものである。内磁性体１３はＦｅ混入ナイロン、又はＦｅ混入ポリウレタン等からなる容易に変形するもの（低剛性のもの）で、外磁性体１４はフェライト混入シリコン等からなる変形し難いもの（高剛性のもの）である。このものは、内磁性体１３は高剛性の外磁性体１４にて外周側へ吸引されて環状体１０を内側から押し広げるもので、環状体１０に対して上実施形態における弾性体１１と同様に作用するものである。

次に、更に他の実施形態について図９及び図１０に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と共通の部分については同一符号を付して説明を省略し、主に異なる部分について説明する。

本実施形態では、図９に示すように、上述した環状のアクチュエータ部１を軸方向に複数積層してあり、更に電圧印加部２によって個々のアクチュエータ部１にそれぞれ個別に通電加熱可能とする制御部（図示せず）を設けてある。なお、便宜上、軸方向は上下方向として説明する。この制御部は、複数のアクチュエータ部１を連携動作させることが可能で、例えば、図１０（ａ）に示すように上下に複数のアクチュエータ部１を積層し、図１０（ｂ）に示すようにそのうちの下端のアクチュエータ部１に通電加熱し、図１０（ｃ）に示すように下端のアクチュエータ部１への通電加熱を停止してその上側に隣接するアクチュエータ部１に通電加熱し、更に図１０（ｄ）に示すように前記アクチュエータ部１への通電加熱を停止してその上側に隣接するアクチュエータ部１に通電加熱し、以降これを繰り返して収縮する部分を下端部から上方へと移動させていくものである。このように複数のアクチュエータ部１の収縮動作を連携させることで、様々なパターンの動作を行うことができる。なお、図１０に示すものは一例であってこれに限定されないものである。

次に、更に他の実施形態について図１２に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と共通の部分については同一符号を付して説明を省略し、主に異なる部分について説明する。

本実施形態は、伸縮しない柔軟材料を二重筒状に配置して筒袋１５ａを形成し、この筒袋１５ａ内に流動性部材１５ｂを充填して環状をした柔軟部材１５を形成し、前記柔軟部材１５の外側に複数の環状体１０を積層したものである。柔軟部材１５の筒袋１５ａを構成する伸縮しない柔軟材料としては、ナイロン又はポリウレタン又はスポンジ等を用い、柔軟部材１５内に充填する流動性部材１５ｂとしては、空気又は水又はゲル等の部材を用いる。更に、複数の環状体１０に電圧印加部２によって個別に通電加熱可能とする制御部（図示せず）を設けてある。この制御部は、複数の環状体１０を連携動作させることが可能で、図１０に示す上実施形態におけるアクチュエータ部１の動作と同様の動作をはじめ様々なパターンの動作を環状体１０に動作させることが可能となっている。

本実施形態においては、図１２（ａ）に示すように一つの環状体１０を収縮動作させた後で図１２（ｂ）に示すように隣接する環状体１０を収縮動作させる場合、環状体１０が収縮した時にその環状体１０の内側の柔軟材料１２の径を絞り、これによって環状をした柔軟材料１２内に挿通される対象物Ｂを締め付けると共に、柔軟材料１２の筒袋１５ａ内の流動性部材１５ｂがその環状体１０の両側に流動し、隣接する環状体１０の内側へと移動する。すると、先に収縮し終えて径が広がろうとする隣接する環状体１０の内側に流動性部材１５ｂが移動してその環状体１０が内側から広げられることとなり、環状体１０の径がすばやく広がるようになってリリース（圧迫からの解放）の速度を向上することが可能となる。

次に、他のアクチュエータ部について図１３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と共通の部分については同一符号を付して説明を省略し、主に異なる部分について説明する。アクチュエータ部１は、略Ｃ字状をした変形体１７の内側に略Ｃ字状をした弾性体１１を設け、前記変形体１７と弾性体１１とはその端部同士を固定して形成してある。このアクチュエータ部は、図１３（ａ）に示す状態にて電圧印加部２にて変形体１７に通電加熱すると、変形体１７が収縮して（記憶した形状に戻って）長さが短くなり、図１３（ｂ）に示すように長さが短くなった変形体１７にて弾性体１１の両端部が広げられ、変形体１７及び弾性体１１からなるアクチュエータ部１の径が大きくなるものである。このものにあっては、形状記憶合金を通電加熱していない時に弾性体１１によって対象物Ｂを締め付け、形状記憶合金を通電加熱している時に対象物Ｂをリリースするため、図１等に示す実施形態のアクチュエータの動作と逆の動作が可能となる。

次に、他のアクチュエータについて図１４乃至図１７に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と共通の部分については同一符号を付して説明を省略し、主に異なる部分について説明する。このアクチュエータは、形状記憶合金からなる変形体１７の両端部にそれぞれ連結部材１６の一端部を固着すると共に、両連結部材１６の他端部同士を回動自在に連結し、前記両連結部材１６の回動を所定位置に戻すための弾性部材を設けたものである。連結部材１６はポリアセタール又はモノマーキャスティングポリアミド等からなる例えば略円弧状をしたもので、両連結部材１６の端部同士を回動自在に連結すると共に、両連結部材１６に亘って弾性部材１８を設けてバイアス力がかかるようにし、両連結部材１６の前記連結していない側の端部間に変形体１７の両端部をそれぞれ固着したものである。図１４、図１５に両連結部材１６の曲率中心側に直線状の変形体１７を設けた例を示し、図１６、図１７に両連結部材１６の曲率中心と反対側に略弧状をした変形体１７を設けた例を示す。また、図１４、図１６に示すものは、ワイヤ状の弾性部材１８を両連結部材１６に亘って巻き付けたもので、図１５に示すものは、連結部材１６と同様の略円弧状に形成した弾性部材１８を両連結部材１６に亘って固定したもので、図１７に示すものは、直線状に伸縮する弾性部材１８を両連結部材１６の互いに連結していない側の端部間に設けたものである。図１４乃至図１７における（ａ）は変形体１７の形状記憶合金に通電していない状態を示し、同（ｂ）は変形体１７の形状記憶合金に通電加熱している状態を示す。図１４及び図１５に示すものは、変形体１７への通電加熱時に対象物を挟むと共に非通電加熱時に対象物をリリースするものであり、図１６及び図１７に示すものは、変形体１７への非通電加熱時に対象物を挟むと共に通電加熱時に対象物をリリースするものである。

本発明のアクチュエータの一実施形態を示し、（ａ）は非通電加熱時の断面図であり、（ｂ）は通電加熱時の断面図である。アクチュエータ部の他例を示し、（ａ）は非通電加熱時の断面図であり、（ｂ）は通電加熱時の断面図である。アクチュエータ部をなす環状体、弾性体、伸縮しない柔軟材料の構成図である。アクチュエータ部の更に他例の一部断面図である。アクチュエータ部の更に他例を示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は一部断面図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ突起の説明図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はそれぞれ弾性体の他例の説明図である。本発明の他の実施形態を示し、（ａ）は非通電加熱時の断面図であり、（ｂ）は通電加熱時の断面図である。本発明の更に他の実施形態を示す要部斜視図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は同上の実施形態において動作を説明する説明図である。環状体の他例の断面図である。本発明の更に他の実施形態を示し、（ａ）（ｂ）はそれぞれ動作の説明図である。他のアクチュエータ部を示し、（ａ）は非通電加熱時の断面図であり、（ｂ）は通電加熱時の断面図である。他のアクチュエータの一例を示し、（ａ）は非通電加熱時の断面図であり、（ｂ）は通電加熱時の断面図である。同上の他例を示し、（ａ）は非通電加熱時の断面図であり、（ｂ）は通電加熱時の断面図である。同上の他例を示し、（ａ）は非通電加熱時の断面図であり、（ｂ）は通電加熱時の断面図である。同上の他例を示し、（ａ）は非通電加熱時の断面図であり、（ｂ）は通電加熱時の断面図である。

符号の説明

１アクチュエータ部
１０環状体
１１弾性体
２電圧印加部
１８弾性部材

Claims

環状に形成された形状記憶合金からなる環状体にその周方向に沿って略Ｃ字状をした弾性体を設けてアクチュエータ部を形成し、前記環状体に電圧を印加して発熱させることでアクチュエータ部の径を変化させる電圧印加部を設けて成ることを特徴とするアクチュエータ。
環状に形成された形状記憶合金からなる環状体の内側に容易に変形する環状の内磁性体を設けると共に、非通電加熱時の環状体の外側に高剛性の外磁性体を設けてアクチュエータ部を形成し、前記環状体に電圧を印加して発熱させることでアクチュエータ部の径を変化させる電圧印加部を設けて成ることを特徴とするアクチュエータ。
複数のアクチュエータ部を積層して成ることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
複数のアクチュエータ部を連携動作させる制御部を設けて成ることを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
伸縮しない柔軟材料を二重筒状に配置した筒袋内に流動性部材を充填して環状をした柔軟部材を形成すると共に、前記柔軟部材の外側に複数の環状体を積層してアクチュエータ部を形成し、前記環状体に電圧を印加して発熱させることでアクチュエータ部の径を変化させる電圧印加部を設けて成ることを特徴とするアクチュエータ。