JP2005048658A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 網形状をした形状記憶合金を加熱することで形状記憶された複雑、多様な形状に収縮させることができる。加熱を止めることで簡単なバイアス機構で網形状をした形状記憶合金を目的とする所定の形状にスムーズに伸張させることができる。
【解決手段】 形状記憶合金により長さが変化する網形状の第１部材１と、該第１部材１の収縮力よりも弱い伸張力で第１部材１の収縮方向と反対方向に作用する弾性体よりなる複数の第２部材２とを備えたアクチュエータである。上記複数の第２部材２はそれぞれ第１部材１の両端部間に架け渡してある。
【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１本の線状をした形状記憶合金の両端部に弧状に湾曲させた１本の弾性部材の両端部を取付けたアクチュエータが知られている。（例えば特許文献１参照）
この特許文献１に示された従来例にあっては、１本の線状をした形状記憶合金に電流を流して加熱することで形状記憶合金は形状記憶回復力を発生して１本の弾性部材の弾性に抗して収縮し、形状記憶合金への加熱を停止することで、形状記憶合金が形状回復力を失うので、１本の弾性部材の弾性により伸び変形を受けて１本の弾性部材が比較的小さな湾曲を示すようになっている。

このように、弾性部材の両端部を形状記憶合金の両端部に取付けることで、１本の弾性線材の湾曲の度合いを変化させてアクチュエータとしての動作を行わせるようにしている。

上記特許文献１に示された従来例は１本の弾性線材の湾曲の度合いを変化させるアクチュエータでしかなく、複雑で多様な動きが可能なアクチュエータを形成できないという問題がある。

また、形状記憶合金アクチュエータにおいて複雑で多様な動きを行わせるために、網形状とすることも知られている。（例えば、特許文献２、特許文献３参照）
ところが、上記のような特許文献２、特許文献３に示されるように形状記憶合金を網形状とすることで、網形状をした形状記憶合金を加熱して網形状をした形状記憶合金を収縮させて記憶させている複雑、多様な形状に形状回復させることができるのであるが、加熱を停止して形状回復力を失わせた状態においては、例えば特許文献３のように網形状の形状記憶合金におもりによりバイアス力を与えて伸張させるようにしているだけであり、非加熱状態において網形状の形状記憶合金を一定の形状に伸張させるのが難しいという問題がある。

また、網形状をした形状記憶合金の両端部間に形状記憶合金の収縮方向と反対方向（つまり伸張方向）の弾性付勢力を付与する特許文献１に示されるような１本の弾性部材を湾曲状態で架け渡して、１本の弾性部材により常温状態において網形状の形状記憶合金を伸張させることも考えられるが、これだと、網形状をした形状記憶合金の一部にのみ弾性部材の弾性伸張力が集中して網形状をした形状記憶合金をスムーズに目的とする一定の形状に伸張することができない。
特開昭６３−２１３６７号公報 特開平６−１０２９３３号公報 特開２００２−４８０５３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、網形状をした形状記憶合金を加熱することで形状記憶された複雑、多様な形状に収縮させることができると共に、加熱を止めることで簡単なバイアス機構で網形状をした形状記憶合金を目的とする所定の形状にスムーズに伸張させることができる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本発明に係るアクチュエータは、形状記憶合金により長さが変化する網形状の第１部材１と、該第１部材１の収縮力よりも弱い伸張力で第１部材１の収縮方向と反対方向に作用する弾性体よりなる複数の第２部材２とを備え、上記複数の第２部材２はそれぞれ第１部材１の両端部間に架け渡してあ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、網形状をした形状記憶合金よりなる第１部材１を加熱することで形状記憶された形状に収縮させて、網形状をした形状記憶合金よりなる第１部材により対象物に圧迫力などの力を作用させることができるものであり、この場合、網形状であるため、複雑、多様な形状に収縮させることが可能であり、また、加熱を解除することで、複数の第２部材２の弾性力により網形状をした形状記憶合金よりなる第１部材１を伸張させるのであるが、この際、網形状の形状記憶合金製の第１部材１の両端部間に架設した複数の第２部材２により網形状の第１部材１を伸張させるので、網形状の一部にのみ伸張力が偏って作用することなく、網形状であるにもかかわらずスムーズに目的とする所定の形状に伸張させることができて、網形状による形状記憶合金の対象物に対する作用力をスムーズに解除できるものである。

また、複数の第２部材２間に、該第２部材２に第２部材２自身の伸張力に加えて更に伸張方向の力を付与するための弾性体よりなる第３部材３を架け渡すことが好ましい。

このような構成とすることで、形状記憶合金よりなる第１部材１への加熱を解除すると、第２部材２自身の伸張力に加えて、第３部材３による第２部材２を更に伸張させようとする力が加わってより高速で網形状の形状記憶合金よりなる第１部材１をスムーズに目的とする所定の形状に伸張させることができて、対象物への網形状による形状記憶合金の作用力を高速でスムーズに解除できるものである。

また、複数の第２部材２間に、該第２部材２に第２部材２自身の伸張力に加えて更に伸張方向の力を付与するための形状記憶合金よりなる第３部材３’を架け渡すことが好ましい。

このような構成とすることで、形状記憶合金よりなる第１部材１への加熱を解除し、形状記憶合金よりなる第３部材’を加熱すると、第２部材２自身の伸張力に加えて、形状記憶合金よりなる第３部材３’の収縮力が第２部材２を更に伸張させようとする力となって作用し、これにより使用する形状記憶合金よりなる第３部材３’を選択することで、第１部材１の開放速度を簡単に調整することが可能となり、また、力学的損失の低下もないものである。

また、第１部材１の両端部間に伸縮しない柔軟材料よりなる過剰伸張防止部材４を第１部材１に沿って取付けることが好ましい。

このような構成とすることで、伸縮しない柔軟材料よりなる過剰伸張防止部材４により網形状の形状記憶合金よりなる第１部材１が過剰に伸張されるのを防止できて網形状の形状記憶合金よりなる第１部材１の性能劣化を予防できるものである。

本発明は、網形状をした形状記憶合金よりなる第１部材を加熱して形状記憶された複雑、多様な形状に収縮させることが可能であると共に加熱を解除することで複数の第２部材の弾性力により網形状をした形状記憶合金よりなる第１部材を一部にのみ伸張力が偏ることなくスムーズに目的とする所定の形状に伸張させることができて、これにより簡単な構成で網形状をした形状記憶合金によって複雑、多様な形状の対象物に対応して力を作用させたり、力の作用を解除するのがスムーズにできるものである。

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。

図１には本発明の一実施形態が示してある。第１部材１は形状記憶合金よりなる網形状をしたものである。ここで、第１部材１はＮｉ−Ｔｉの配合比５０％前後の合金やＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金等の線材に熱処理を施して得た形状記憶合金の表面に電気的な絶縁層を被覆し、このように表面に絶縁層を形成した形状記憶合金をメッシュ状に編み、形状記憶合金の交差部に絶縁層を介在させ、形状記憶合金に温度制御部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して機能させようとするものである。

形状記憶合金のメッシュ形状は、メリヤス編み状となっていたり、波状ばね線を編んでメッシュ状としたりしてある。

網形状の形状記憶合金よりなる第１部材１は例えば、サポータのような円筒網状をしたり、あるいは網シート状をしている。この第１部材１の伸縮方向の両端部には支持部８（該支持部８は剛体であるのが好ましい）が設けてあり、例えば、サポータのような円筒網状をしたものの場合、軸方向の両端部に支持部８が設けてある。

上記の構成の形状記憶合金によりなる網形状の第１部材１の両端部の支持部８間には弾性体よりなる複数（添付図面に示す実施形態では２つの例で示しているが、必ずしも２つに限定されない）の第１部材１が架け渡してある。弾性体よりなる第１部材１は例えばピアノ線などにより構成してあり、この第２部材２は図１に示すように網形状の第１部材１の両端部の支持部８間に架設した状態で湾曲状態をしており、複数の第２支持部材２は互いに湾曲した凹み部分が向き合うように第１部材１の両端部の支持部８間の異なる位置に架設してある。

例えば、形状記憶合金よりなる第１部材１が円筒網状をしたものの場合、軸方向の両端部に環状又はＣ字状をした支持部８が設けてあり、第１部材１の軸方向の両側において環状又はＣ字状をした支持部の周方向の複数箇所に複数の第２支持部材２の両端部をそれぞれ接続してあって、複数の第２支持部材２により円筒網状をした形状記憶合金よりなる第１部材１を円筒網状の軸方向において伸張させようとするバイアス力を与えている。

ここで、形状記憶合金よりなる第１部材１に電流を流してジュール熱を発生させることで加熱して形状記憶合金を記憶形状に復帰させるのであるが、この加熱時における形状記憶合金よりなる第１部材１の収縮力をＦ１とし、上記弾性体よりなる複数の第２部材２による合計の伸張力をＦ２とした場合、Ｆ１＞Ｆ２となっており、したがって、形状記憶合金よりなる第１部材１に電流を流して加熱すると、図１（ｂ）のように複数の第２部材２による合計の伸張力に抗して第１部材１が収縮して記憶した形状に戻って対象物に対して第１部材が圧迫等の作用を行う。一方、形状記憶合金よりなる第１部材１への通電を停止して非加熱状態とすると形状記憶合金は放熱により冷却され、形状回復力を失って剛性が低下して、網形状をした第１部材１の両端部に架設した複数の弾性体よりなる第２部材の伸張力Ｆ２がこれに対応する非加熱時における第１部材１の収縮力Ｆ３よりも大きくなり（Ｆ２＞Ｆ３となり）、したがって、図１（ａ）のように複数の第２部材２の伸張力により網形状の第１部材１が伸張して目的とする伸張時の所定形状となる。この場合、網形状の形状記憶合金よりなる第１部材１の両端部間に複数の弾性体よりなる第２部材２を架設して第２部材２の弾性伸張力により伸張するので、対象物の形状に応じて複雑で多様な変形が可能な網形状の第１部材１を網形状の一部にのみ弾性体よりなる第２部材２の伸張力が偏って作用することなく、網形状であるにもかかわらずスムーズに目的とする所定の形状に伸張させることができて、対象物に対する網形状による形状記憶合金の作用力をスムーズに解除できるものである。

本発明のアクチュエータは、例えば、第１部材１が円筒網形状の場合には筒軸方向、径方向に収縮して円筒網形状をした第１部材１内に挿入した対象物である足や腕を第１部材１の収縮力により圧迫し、加熱を停止して伸張させることで、対象物への圧迫を開放し、これを繰り返すことでマッサージを行うことができる。もちろん、本発明はマッサージ用のアクチュエータにのみ限定されず、血圧計のカフ帯として腕や指を圧迫するアクチュエータとして利用したり、あるいは、足や手等の身体の一部を動かす際の補助を行うためのアクチュエータとして利用したりできるものである。

次に、本発明の他の実施形態を図２に基いて説明する。本発明のアクチュエータの基本的構成は前述の図１に示す実施形態と同じであるので、同じ構成には同じ符号を付け、重複する説明は省略し、異なる点を以下説明する。本実施形態においては、形状記憶合金よりなる網形状の第１部材１の両端部の支持部８間に弾性体よりなる複数の第１部材１を架け渡すと共に、複数の第２部材２間に、該第２部材２に第２部材２自身の伸張力に加えて更に伸張方向の力を付与するための弾性体よりなる第３部材３を架け渡した構成に特徴がある。

具体的には図３に示すように網形状をした形状記憶合金よりなる第１部材１の両端部に支持部８を設け、両支持部８の異なる位置間にピアノ線のような弾性体により構成した複数の第２部材２を湾曲状態で架設してあり、該複数の第２支持部材２は互いに湾曲した凹み部分が向き合うように第１部材１の両端部の支持部８間の異なる位置に架設してあって、複数の第２支持部材２により円筒網状をした形状記憶合金よりなる第１部材１を伸張させようとするバイアス力を与えている。そして、本実施形態においては、この複数の第２部材２間に、バネ材やゴム等の弾性体よりなる第３部材３を架設してあり、該第３部材３の収縮力により湾曲した複数の第１部材１にそれぞれ伸張する方向の力を与えている。

本実施形態においては、形状記憶合金よりなる第１部材１に電流を流してジュール熱を発生させることで加熱して形状記憶合金を記憶形状に復帰させるのであるが、この加熱時における形状記憶合金よりなる第１部材１の収縮力をＦ１とし、上記弾性体よりなる複数の第２部材２による合計の伸張力をＦ２とし、第３部材３の収縮力をＦ４とした場合、Ｆ１＞Ｆ２＋Ｆ４となっており、したがって、形状記憶合金よりなる第１部材１に電流を流して加熱すると、図２（ｂ）のように複数の第２部材２による合計の伸張力及び第３部材３の収縮力に抗して第１部材１が収縮して記憶した形状に戻って対象物に対して第１部材が圧迫等の作用を行う。一方、形状記憶合金よりなる第１部材１への通電を停止して非加熱状態とすると形状記憶合金は放熱により冷却され、形状回復力が失われて剛性が低下して、非加熱時における網形状をした第１部材１の両端部に架設した複数の弾性体よりなる第２部材２の伸張力Ｆ２及び第３部材３の収縮力Ｆ４の合計の力がこれに対応する非加熱時における第１部材１の収縮力Ｆ３よりも大きくなり（Ｆ２＋Ｆ４＞Ｆ３となり）、したがって、図２（ａ）のように複数の第２部材２の伸張力により網形状の第１部材１が伸張して目的とする伸張時の所定形状となる。

このように、本実施形態においては、第２部材２に第２部材２自身の伸張力に加えて更に伸張方向の力を付与するための弾性体よりなる第３部材３を架け渡すことで、形状記憶合金よりなる第１部材１への加熱を解除すると、第２部材２自身の伸張力に加えて、第３部材３による第２部材２を更に伸張させようとする力が加わってより高速で網形状の形状記憶合金よりなる第１部材１をスムーズに目的とする所定の形状に伸張させることができて、対象物に対する網形状による形状記憶合金の作用力を解除できるものである。

なお、図２に示す実施形態では複数の第２部材２間に弾性体よりなる第３部材３を１本架設した例を示しているが、複数の第２部材２間に弾性体よりなる第３部材３を複数本架設してもよく、この場合は上記収縮力Ｆ４は複数の第３部材３の合計の収縮力である。

次に、本発明の他の実施形態を図３に基いて説明する。上記した図２に示す実施形態では、複数の第２部材２間に、該第２部材２に第２部材２自身の伸張力に加えて更に伸張方向の力を付与するための弾性体よりなる第３部材３を架け渡したが、本実施形態においては、図２に示す実施形態における弾性体よりなる第３部材３に代えて第２部材２に伸張方向の力を付与するための形状記憶合金よりなる第３部材３’を架け渡した点が異なり、他の構成は図２の実施形態と同じであるので説明は省略する。

なお、図３に示す実施形態では複数の第２部材２間に形状記憶合金よりなる第３部材３’を複数本架設した例を示しているが、複数の第２部材２間に形状記憶合金よりなる第３部材３’を１本架設したものであってもよい。以下の第３部材３’の通電時における収縮力をＦ５、非通電時における収縮力をＦ６は図３の実施形態においては複数の第３部材３’の通電時における合計の収縮力をＦ５、非通電時における合計の収縮力をＦ６とするものであるが、形状記憶合金よりなる第３部材３’を１本架設した場合には１本の第３部材３’の通電時における収縮力をＦ５、非通電時における１本の収縮力をＦ６とする。

本実施形態においては、形状記憶合金よりなる網形状の第１部材１に通電して加熱するときには形状記憶合金よりなる第３部材３’には通電せず、第１部材１への通電を停止して非加熱としたときには第３部材３’に通電して加熱するように制御されるものである。そして、第１部材１に通電して加熱することで加熱して形状記憶合金を記憶形状に復帰させるのであるが、この加熱時における形状記憶合金よりなる第１部材１の収縮力をＦ１とし、上記弾性体よりなる複数の第２部材２による合計の伸張力をＦ２とし、形状記憶合金よりなる第３部材３’の通電時における収縮力をＦ５、非通電時における収縮力をＦ６とした場合、Ｆ３＜Ｆ２＋Ｆ５、Ｆ１＞Ｆ２＋Ｆ６となるように設定してある。

したがって、形状記憶合金よりなる第１部材１に通電して加熱すると共に形状記憶合金よりなる第３部材３’に通電せずに非加熱状態とすると、図３（ｂ）のように複数の第２部材２による合計の伸張力及び第３部材３’の収縮力に抗して第１部材１が収縮して記憶した形状に戻って対象物に対して第１部材が圧迫等の作用を行う。一方、形状記憶合金よりなる第１部材１への通電を停止して非加熱状態とすると共に形状記憶合金よりなる第３部材３’に通電して加熱すると、第１部材１は放熱により冷却され、剛性が低下して、複数の第２部材２による合計の伸張力及び第３部材３’の加熱による収縮力が第１部材１の非加熱状態における収縮力よりも大きくなって図３（ａ）のように複数の第２部材２の伸張力及び第３部材３’の加熱による収縮力により網形状の第１部材１が伸張して目的とする伸張時の所定形状となり、対象物への圧迫等の作用を解除する。

このように本実施形態においては、複数の第２部材２間に、該第２部材２に第２部材２自身の伸張力に加えて更に伸張方向の力を付与するための形状記憶合金よりなる第３部材３’を架け渡してあるので、使用する形状記憶合金よりなる第３部材３’を選択することで、第１部材１の開放速度を簡単に調整することが可能となり、また、力学的損失の低下もないものである。

なお、本実施形態に用いる形状記憶合金よりなる第３部材３’としては直線状、コイル状、波状、網形状等種々の形状のものが使用できる。

次に、本発明の更に他の実施形態を図４に基いて説明する。本実施形態においては、上記した各実施形態のものにおいて、第１部材１の両端部間にポリアミド、ポリウレタン、木綿等の伸縮しない柔軟材料よりなる過剰伸張防止部材４を第１部材１に沿って取付けることに特徴がある。

本実施形態においては、上記のように、第１部材１の両端部間に伸縮しない柔軟材料よりなる過剰伸張防止部材４を第１部材１に沿って取付けることで、網形状の形状記憶合金よりなる第１部材１を非通電とした伸張時に図３（ａ）のように網形状の形状記憶合金よりなる第１部材１が過剰に伸張されるのが過剰伸張防止部材４により防止できて網形状の形状記憶合金よりなる第１部材１の性能劣化を予防できるものである。また、網形状の形状記憶合金よりなる第１部材１に通電した収縮時には図３（ｂ）のように柔軟材料よりなる過剰伸張防止部材４が弛んで収縮に対して支障とならないようになっている。

次に、本発明の更に他の実施形態を図５に基いて説明する。本実施形態においては、上記した各実施形態のものにおいて、第１部材１にグラスウール、ロックウール、セラミックファイバーなどの断熱層５を設けることに特徴がある。ここで、第１部材１に断熱層５を設けるに当たり、第１部材１の全周を断熱層５で覆うようにしてもよいが、第１部材１が円筒網形状をしたものの場合、少なくとも第１部材１の対象物を圧迫する面である内面に沿って断熱材５を設ける。

本実施形態においては、上記のように、網形状をした形状記憶合金よりなる第１部材１を加熱して収縮することで対象物を圧迫する際、断熱層５により断熱を行って対象物を加熱しないようにして対象物が熱的影響を受けないようにできる。

次に、本発明の更に他の実施形態を図６に基いて説明する。本実施形態においては、上記した各実施形態のものにおいて、第１部材１に圧迫用突起６を有する突起付き部材７を設けることに特徴がある。突起付き部材７は、例えば、ポリアセタール、モノマーキャスティングポリアミドなどにより形成してある。圧迫用突起６としては図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のようなものを挙げることができる。図６（ｂ）は先端が曲面となったもの、図６（ｃ）は先端が平面となったもの、図６（ｄ）は先端が点状に尖ったものである。ここで、第１部材１が円筒網形状をしたものの場合、最内層に上記突起付き部材７を設けるのであるが、最内層が断熱層５の場合、突起付き部材７として断熱性に優れたものを用いることで、断熱層５と突起付き部材７とを兼用してもよい。また、第１部材１の加熱による収縮時に対象物側に対して圧迫用突起６が出るものであれば最内層に断熱層５を配置してもよい。

本発明の一実施形態を示し、（ａ）はアクチュエータの伸張状態を示す説明図であり、（ｂ）はアクチュエータの収縮状態を示す説明図である。 同上の他の実施形態を示し、（ａ）はアクチュエータの伸張状態を示す説明図であり、（ｂ）はアクチュエータの収縮状態を示す説明図である。 同上の更に他の実施形態を示し、（ａ）はアクチュエータの伸張状態を示す説明図であり、（ｂ）はアクチュエータの収縮状態を示す説明図である。 同上の更に他の実施形態を示し、（ａ）はアクチュエータの伸張状態を示す説明図であり、（ｂ）はアクチュエータの収縮状態を示す説明図である。 同上の断熱層を設ける例を示す説明図である。 （ａ）は同上の圧迫用突起を有する突起付き部材を設ける例を示す説明図であり、（ｂ）（ｃ）（ｄ）はそれぞれ圧迫用突起の各例を示す説明図である。

符号の説明

１ 第１部材
２ 第２部材
３ 第３部材
４ 過剰伸張防止部材

Claims (4)

1. 形状記憶合金により長さが変化する網形状の第１部材と、該第１部材の収縮力よりも弱い伸張力で第１部材の収縮方向と反対方向に作用する弾性体よりなる複数の第２部材とを備え、上記複数の第２部材はそれぞれ第１部材の両端部間に架け渡してあることを特徴とするアクチュエータ。
2. 複数の第２部材間に、該第２部材に第２部材自身の伸張力に加えて更に伸張方向の力を付与するための弾性体よりなる第３部材を架け渡して成ることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 複数の第２部材間に、該第２部材に第２部材自身の伸張力に加えて更に伸張方向の力を付与するための形状記憶合金よりなる第３部材を架け渡して成ることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
4. 第１部材の両端部間に伸縮しない柔軟材料よりなる過剰伸張防止部材を第１部材に沿って取付けて成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。

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