JP4069692B2

JP4069692B2 - 伸縮自在アクチュエータ

Info

Publication number: JP4069692B2
Application number: JP2002184891A
Authority: JP
Inventors: 亮彦斎藤; 茂堂埜
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: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP2004032887A

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、上記形状記憶合金アクチュエータ５の温度制御を行なう温度制御部６と上記電歪アクチュエータ８の電圧制御を行なう電圧制御部７とを備え、収縮を形状記憶合金アクチュエータ５が担い、延伸を電歪アクチュエータ８が担うように、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の伸縮を制御する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】
また上記温度制御部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、上記形状記憶合金アクチュエータの温度制御を行なう温度制御部と上記電歪アクチュエータの電圧制御を行なう電圧制御部とを備え、収縮を形状記憶合金アクチュエータが担い、延伸を電歪アクチュエータが担うように、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の伸縮を制御するので、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、請求項１の効果に加えて、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

Claims

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、上記形状記憶合金アクチュエータの温度制御を行なう温度制御部と上記電歪アクチュエータの電圧制御を行なう電圧制御部とを備え、収縮を形状記憶合金アクチュエータが担い、延伸を電歪アクチュエータが担うように、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の伸縮を制御することを特徴とする伸縮自在アクチュエータ。
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ことを特徴とする請求項１記載の伸縮自在アクチュエータ。
柔軟電極部の表面が電気絶縁被覆されていることを特徴とする請求項１又は２記載の伸縮自在アクチュエータ。
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本以上配置することを特徴とする請求項２又は３記載の伸縮自在アクチュエータ。
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ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の伸縮自在アクチュエータ。
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ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の伸縮自在アクチュエータ。
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ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の伸縮自在アクチュエータ。
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ことを特徴とする請求項７記載の伸縮自在アクチュエータ。
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ことを特徴とする請求項７記載の伸縮自在アクチュエータ。
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ことを特徴とする請求項１記載の伸縮自在アクチュエータ。
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ことを特徴とする請求項１０記載の伸縮自在アクチュエータ。