JP4231918B2 - 運動素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の産業分野で用いられエネルギーを変位、速度、力などの実際の物理量に変換するアクチュエータ等の運動素子に関し、特に、エネルギー消費が少なく、大きな力を発生することができ、且つ反応速度が速く、さらに小形化することができる運動素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の運動素子としては、例えばマイクロマシンの分野で使われているアクチュエータ等がある。このような運動素子は、例えば電磁気的な吸引力と斥力とを用いて直線運動や回転運動などを行う電磁弁やモータ等、或いは電気ヒータによる加熱で部材を変形させるもの等がその例である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の運動素子においては、電磁気的な吸引力と斥力とを用いたり、電気ヒータによる加熱で部材を変形させたりしているので、あまり大きな力は発生できなかった。また、電気ヒータによる加熱は、ジュール熱の発生によるものであり、エネルギー消費が大きいと共に、急激に冷すことができないことから反応速度を速くすることができなかった。さらに、モータを必要とする場合には、あまり小形化することはできなかった。
【０００４】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、エネルギー消費が少なく、大きな力を発生することができ、且つ反応速度が速く、さらに小形化することができる運動素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第一の手段による運動素子は、高温と低温とで異なる形状を呈する形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成された運動部材と、この運動部材の片面に設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子とを備え、上記運動部材の片面にて上記熱電素子と運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成とし、上記各熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記運動部材を加熱又は冷却して変形させ、該運動部材の変形によって運動力を発生させるものである。
【０００７】
また、第二の手段による運動素子は、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材と、これらの運動部材の間に挟まれて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子とを備え、上記二つの運動部材が対向する面にて上記熱電素子と運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成とし、上記各熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記各運動部材を加熱又は冷却して同一方向に変形させ、該運動部材の変形によって運動力を発生させるものである。
【０００８】
また、上記二つの運動部材は、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの十字形状又は放射形状に形成されると共に平行に配設されたものとしてもよい。
【０００９】
さらに、上記二つの運動部材は、一定温度以上で互いに反対方向の球状の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定面積の平板状に形成されると共に平行に配設されたものとしてもよい。
【００１０】
さらにまた、上記各手段において、熱電素子に、電流を正方向に流して運動部材を加熱又は冷却して変形させ、一定時間後に電流を逆方向に流して該運動部材を加熱又は冷却して変形させ、上記運動部材に往復運動をさせるようにしてもよい。
【００１１】
また、第三の手段による運動素子は、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材をその平行配設の軸を直交させて配置した二組の運動部材と、これら各組の運動部材の間に挟まれると共に各組毎に絶縁されて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子とを備え、上記各組の二つの運動部材が対向する面にて上記熱電素子と運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成とし、上記各組の熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記各組の運動部材を加熱又は冷却して直交二方向に任意に変形させ、これらの運動部材の変形によって運動力を発生させるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は第一の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図であり、図２はその底面図である。この運動素子は、各種の産業分野で用いられエネルギーを変位、速度、力などの実際の物理量に変換するアクチュエータ等であり、運動部材１と、熱電素子２とを備えて成る。
【００１５】
上記運動部材１は、この部材の変形によって実際に運動力を発生するもので、高温と低温とで異なる形状を呈する形状記憶合金から成り、例えば適宜の長さの矩形状板に形成されている。上記形状記憶合金は、高温で成形したときの形状を記憶していて、室温で変形を与えても、加熱すると瞬間的に元の成形時の形状に戻る性質があり、形状回復に伴って大きな力を発生するという特徴を有する。実用的な形状記憶合金としては、例えばＴiＮi，Ｃu-Ｚn-Ａl，Ｃu-Ａl-Ｎiなどがある。そして、図１においては、高温時（温度Ｔが変態温度Ａfより高い）には破線で示すように一側方に反り返った状態の形状を記憶しており、低温時（温度Ｔが変態温度Ａfより低い）には実線で示すように直線状に伸びた状態の形状を記憶している場合を示している。
【００１６】
熱電素子２は、上記運動部材１をペルチエ効果を利用して加熱又は冷却するもので、例えば適宜の大きさのブロック状に形成されたペルチエ素子から成り、運動部材１の片面の一部に設けられている。上記ペルチエ素子は、異種の導体の接点に電流を流すとき、その接点でジュール熱以外に熱の発生又は吸収が起こる現象を利用したもので、電流の方向を逆にすれば熱の発生と吸収は反対になる性質を有する。図１及び図２においては、上記熱電素子２の両端部にリード線３ａ，３ｂを介して直流電源Ｅが接続されており、途中に設けられた切換スイッチ４により上記直流電源Ｅの接続極性を適宜変えるようになっている。なお、図１及び図２において、符号５は上記熱電素子２に供給する電流を調整するボリュームを示している。また、上記直流電源Ｅは、バッテリでもよいし、交流電源を直流に整流したものでもよい。
【００１７】
このような状態で、上記熱電素子２に直流電源Ｅにより電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記運動部材１を加熱又は冷却して変形させ、この運動部材の変形によって運動力を発生させるようになっている。例えば図１において、運動部材１が低温時には実線で示すように直線状に伸びた状態になっており、この状態で熱電素子２に電流を正方向に供給して上記運動部材１に接している面を加熱すると（このとき反対側の面は冷却される）、運動部材１は素早く加熱されて高温になり破線で示すように一側方に反り返った状態の記憶形状に回復する。
【００１８】
次に、切換スイッチ４を切り換えて熱電素子２に供給する電流の向きを上記と逆方向にすると、熱電素子２の運動部材１に接している面が冷却され、実線で示すように低温時に記憶している直線状に伸びた状態に変形する。このような運動部材１の変形によって運動力が発生する。
【００１９】
図３は、図１及び図２に示す運動素子６を直線搬送装置に適用した場合を示す断面説明図である。ある平面上に、運動部材１が露出するようにして複数個の運動素子６1，６2，…，６5を直線状に並べてある。そして、各運動素子６1〜６5の運動部材１1〜１5は、それぞれの熱電素子２にある極性で通電時に立ち上がり、通電していないときは寝ている状態に構成されているとする。この場合、上記運動素子６1〜６5に順次通電し遮断することにより、それらの運動部材１1〜１5が一端側から順次立ち上がり、該運動部材１1〜１5の上に置いた物体を直線状に搬送することができる。
【００２０】
また、図４は、図１及び図２に示す運動素子６を回転搬送装置に適用した場合を示す平面説明図である。ある平面上に、運動部材１1〜１nが露出するようにして複数個の運動素子６（図示略）が円形状に並べてある。この場合、上記運動素子６に順次通電し遮断することにより、それらの運動部材１1〜１nが１ヶ所から円を描くように順次立ち上がり、該運動部材１1〜１nの上に置いた物体を円周方向に回転させながら搬送することができる。
【００２１】
図５は、第二の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図であり、図６はその平面図である。この実施形態の運動素子６は、高温と低温とで異なる形状を呈する形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成された運動部材１と、この運動部材１の片面に設けられペルチエ効果を利用して該運動部材１を加熱又は冷却する複数個の熱電素子２，２，…とを備えて成る。
【００２２】
上記運動部材１は、図６に示すように長さがａ（例えば５０mm程度）、幅がｂ（例えば４mm程度）の細長い板状に形成され、図５に示すように高温時（Ｔ＞Ａf）には破線で示すように一側方に反り返った状態の形状を記憶しており、低温時（Ｔ＜Ａf）には実線で示すように直線状に伸びた状態の形状を記憶している 。なお、図５及び図６において、細長状の運動部材１の根本部には、この運動素子６を所要の箇所に取り付けるための取付部材７が溶接、ビス等により固定されている。
【００２３】
熱電素子２は、上記運動部材１の片面に図６に示す所定間隔ｃ（例えば１mm程度）をあけて複数個１列状に並べられており、その片面に対して適宜スライド可能に設けられている。例えば、図７（ａ）に示すように、熱電素子２と運動部材１とが接触する面に凸形のアリ８と、凹形のアリミゾ９とを設け、この両者を嵌合して互いに滑りうるように組み合わせてある。また、図７（ｂ）に示すように、上記運動部材１と熱電素子２との接合面間には、熱伝導ペースト１０が介在されている。この熱伝導ペースト１０は、熱電素子２の加熱による熱を運動部材１に伝達すると共に、運動部材１と熱電素子２との間の潤滑の役目をするものである。なお、上記複数個の熱電素子２，２，…は、リード線３ａ，３ｂで直列に接続されている。その他の部分は、図１及び図２に示す運動素子６の構成と同様である。
【００２４】
このような状態で、上記各熱電素子２に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記運動部材１を加熱又は冷却して変形させ、この運動部材の変形によって運動力を発生させるようになっている。この場合の基本的な動作は、図１の実施形態と同様であるが、図５及び図６の場合は運動部材１が長いことと、熱電素子２が複数個設けられていることから、該熱電素子２，２，…が運動部材１上を適宜スライドして大きい曲率で長い寸法にわたって変形が生じる。
【００２５】
なお、図５及び図６に示す運動素子６において、運動部材１及び複数個の熱電素子２，２，…の全体を細長いフレキシブルなチューブ又は人工皮膚等で覆ってもよい。また、取付部材７に取り付ける運動部材１の根本部に、該運動部材１を長手方向の軸周りに回転させる回転機構を設けてもよい。この場合は、上記運動部材１を任意の向きに回転させて変形させることができる。さらに、運動部材１は、細長い板状に限らず、細長い棒状又は線状に形成してもよい。
【００２６】
図８は、図５及び図６に示す運動素子６をフレキシブルなチューブの開閉装置に適用した場合を示す説明図である。この場合、フレキシブルなチューブ１１の両側面に２個の運動素子６ａ，６ｂを沿わせて配置し、これらの運動素子６ａ，６ｂを変形させてチューブ１１を開閉させるようになっている。即ち、各運動素子６ａ，６ｂの運動部材１，１は、低温時（Ｔ＜Ａf）には図８（ａ）に示すように互いに内側に反り返るアーチ状の形状を記憶しており、高温時（Ｔ＞Ａf）には同図（ｂ）に示すように平面状或いは曲率半径の大きい円弧状に湾曲した形状を記憶していて、熱電素子２に通電しない低温時には図８（ａ）に示すように変形してチューブ１１を閉じ、通電して加熱時には同図（ｂ）に示すように変形してチューブ１１を開く。より具体的な適用例として、尿道を通常の体温では閉じておき（図８（ａ）参照）、必要に応じて熱電素子２を加熱して尿道を開く（図８（ｂ）参照）医療用のバルブとして用いることができる。
【００２７】
図９は、バルブとして用いる場合の変形例を示す説明図である。この場合は、１個の運動素子６をチューブ押え具１２の回りに固定したもので、チューブ押え具１２の内方に差し込まれたフレキシブルなチューブ又はパイプ（図示略）を開閉するものである。上記運動素子６は、図９（ａ）に示す高温時（Ｔ＞Ａf）には略円形に開いており、同図（ｂ）に示す低温時（Ｔ＜Ａf）には略三角形に閉じた状態となり、内部のチューブ又はパイプを開閉するようになっている。
【００２８】
図１０は、図９で示したバルブの応用例を示す説明図である。血管１３の回りに複数個の運動素子６1，６2，６3，…を配置し、該運動素子６1，６2，６3，…を一端方から順に開閉を繰り返して上記血管１３を押え、一種のフィンガーポンプ状の機構により例えば心拍に同期して血流に脈動を発生させるものである。
【００２９】
図１１は、第三の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図であり、図１２はその平面図である。この実施形態の運動素子６は、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材１ａ，１ｂと、これらの運動部材１ａ，１ｂの間に挟まれて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材１ａ，１ｂを加熱又は冷却する複数個の熱電素子２，２，…とを備えて成る。
【００３０】
上記二つの運動部材１ａ，１ｂは、図６に示すと同様に長さがａ（例えば５０mm程度）、幅がｂ（例えば４mm程度）の細長い板状に形成され、図１１に示すように高温時（Ｔ＞Ａf）にはそれぞれ破線で示すように互いに反対方向の曲率を持って反り返った状態の形状を記憶しており、低温時（Ｔ＜Ａf）には実線で示すように直線状に伸びた状態の形状を記憶している。
【００３１】
熱電素子２は、上記運動部材１ａ，１ｂの間に挟まれて図６に示すと同様に所定間隔ｃ（例えば１mm程度）をあけて複数個１列状に並べられており、その両部材間で適宜スライド可能に設けられている。例えば、図１３（ａ）に示すように、熱電素子２と運動部材１ａ，１ｂとが接触する面に凸形のアリ８と、凹形のアリミゾ９とを設け、この両者を嵌合して互いに滑りうるように組み合わせてある。また、図１３（ｂ）に示すように、上記運動部材１ａ，１ｂと熱電素子２との接合面間には、熱伝導ペースト１０が介在されている。その他の部分は、図５及び図６に示す運動素子６の構成と同様である。
【００３２】
このような状態で、上記各熱電素子２に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記各運動部材１ａ，１ｂを加熱又は冷却して同一方向に変形させ、この運動部材の変形によって運動力を発生させるようになっている。この場合の基本的な動作は、図５及び図６の実施形態と同様であるが、図１１及び図１２の場合は運動部材１が平行に配設された二つの部材１ａ，１ｂを有していることから、次のように動作する。
【００３３】
即ち、直列に接続された複数個の熱電素子２，２，…にヒートポンプの作用をさせて一方の面と他方の面とで加熱及び冷却を同時に行うことにより、一定温度以上になると互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成る二つの運動部材１ａ，１ｂの一方の部材１ａの温度を速やかに昇温して図１１に破線１ａで示すように変形させ、他方の部材１ｂは冷却されて弾性率が低下し上記加熱側の運動部材１ａの変形に従って変形し、二つの部材１ａ，１ｂは全体として図１１に破線１ａで示すように変形する。次に、上記熱電素子２，２，…に逆方向に電流を流すと、一方の面と他方の面とで加熱、冷却を高速に転換でき、上記と逆方向の変形を素早く起こさせ、二つの部材１ａ，１ｂは全体として図１１に破線１ｂで示すように変形する。このとき、上記の変形に必要なエネルギーは、電気ヒータによる加熱に比べて数分の一のエネルギーですむ。また、他方側の運動部材の温度を速やかに冷却して変形し易くするので、運動素子６としての反応速度を速くすることができる。
【００３４】
なお、図１１及び図１２に示す運動素子６において、運動部材１ａ，１ｂ及び複数個の熱電素子２，２，…の全体を細長いフレキシブルなチューブ又は人工皮膚等で覆ってもよい。また、取付部材７に取り付ける運動部材１ａ，１ｂの根本部に、該運動部材１ａ，１ｂを長手方向の軸周りに回転させる回転機構を設けてもよい。この場合は、上記運動部材１ａ，１ｂを任意の向きに回転させて変形させることができる。さらに、運動部材１ａ，１ｂは、細長い板状に限らず、細長い棒状又は線状に形成してもよい。
【００３５】
図１４は、図１１及び図１２に示す運動素子６をぜん動運動するアクチュエータに適用した場合を示す説明図である。この場合、図１４（ａ）に示すように、高温時（Ｔ＞Ａf）にアーチ状の形状記憶をした二つの運動部材１ａ，１ｂの間に、隣同士で極性を反対にした熱電素子２を複数個並べたものである。そして、同図（ｂ）に示すように、一方の熱電素子２ａは下面側が加熱で上面側が冷却とされており、他方の熱電素子２ｂは上面側が加熱で下面側が冷却とされている。したがって、図１４（ａ）に示す運動素子６は、各熱電素子２ａ，２ｂによる加熱部と冷却部とが隣合っており、該熱電素子２ａ，２ｂに通電、遮断することにより上記運動部材１ａ，１ｂは波打つようにぜん動運動をするようになる。
【００３６】
図１５は、図１４で示したぜん動運動するアクチュエータの応用例を示す説明図である。図１５（ａ）に示すように血管１３の断面回りに三つの運動素子６1 ，６2，６3を該血管１３の長手方向に沿わせて配置し、同図（ｂ）に示すように各運動素子６1，６2，６3の周期を合わせてぜん動運動をさせることにより、血流に脈動を発生させるものである。
【００３７】
図１６は、図１１及び図１２に示す第三の発明による運動素子の他の実施形態を示す平面説明図である。この実施形態の運動素子６は、二つの運動部材１ａ，１ｂを、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの十字形状又は放射形状に形成すると共に、平行に配設したものである。そして、上記十字形状又は放射形状に形成された二つの運動部材１ａ，１ｂの両側面に弾性を有する膜１４を接着してある。なお、図１６においては、片面側の運動部材１ａ及び膜１４を省略して図示している。
【００３８】
図１７は、図１６に示す運動素子６を人工心臓１５の右心室と左心室との隔壁に適用した場合を示す説明図である。この場合、上記二つの運動部材１ａ，１ｂ間の熱電素子２，２，…に電流を一方向又は逆方向に流すことにより、上記運動部材１ａ，１ｂを加熱又は冷却して変形させ、図１７に破線で示すように膜１４を一側方又は他側方にふくらむ曲面に変形させて、血流を送るポンプ機構を備えた人工心臓１５が構成される。このような人工心臓１５では、モータなどの回転部分が無く、血球を破壊しにくいと共に、少ないエネルギーで駆動できる。
【００３９】
図１８は、図１１及び図１２に示す第三の発明による運動素子の他の実施形態を示す平面説明図である。この実施形態の運動素子６は、二つの運動部材１ａ，１ｂを、一定温度以上で互いに反対方向の球状の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定面積の平板状（例えばダイヤフラム状）に形成すると共に、平行に配設したものである。なお、図１８においては、片面側の運動部材１ａを省略して図示している。この場合も、図１７に示すと同様に、人工心臓１５の右心室と左心室との隔壁に適用することができる。
【００４０】
なお、以上で説明した運動素子６の各実施の形態において、上記熱電素子２に、電流を一方向に流して運動部材１を加熱又は冷却し、一定時間後に電流を逆方向に流して該運動部材１を加熱又は冷却して変形させ、上記運動部材１に往復運動をさせるようにしてもよい。
【００４１】
図１９は、第四の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図であり、図２０はそのＥ−Ｅ線断面図である。この実施形態の運動素子６は、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材をその平行配設の軸を直交させて配置した二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄと、これら各組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄの間に挟まれると共に各組毎に絶縁されて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子２，２，…とを備えて成る。
【００４２】
上記二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄは、図６に示すと同様に長さがａ（例えば５０mm程度）で、１mm角程度の断面積の細長い棒状又は線状に形成され、図１９に示すように高温時（Ｔ＞Ａf）にはそれぞれ破線で示すように互いに反対方向の曲率を持って反り返った状態の形状を記憶しており、低温時（Ｔ＜Ａf）には実線で示すように直線状に伸びた状態の形状を記憶している。
【００４３】
熱電素子２は、上記二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄの間に挟まれて図６に示すと同様に所定間隔ｃ（例えば１mm程度）をあけて複数個互い違いに直交状態に並べられており、二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄのそれぞれの間で適宜スライド可能に設けられている。そして、上記運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄと熱電素子２との接合面間には、熱伝導ペーストが介在されている。なお、図２０において、符号１６は上記各熱電素子２，２，…に電流を供給するためのリード線を示し、符号１７は二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄ及び複数個の熱電素子２，２，…の全体を覆った細長いフレキシブルなチューブ又は人工皮膚等を示している。
【００４４】
このような状態で、上記各組の熱電素子２，２，…に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記各組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄを加熱又は冷却して直交二方向に任意に変形させ、この運動部材の変形によって運動力を発生させるようになっている。この場合の基本的な動作は、図１１及び図１２の実施形態と同様であるが、図１９及び図２０の場合は二つの運動部材の平行配設の軸を直交させて配置した二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄと、これら各組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄの間に挟まれた熱電素子２，２，…を有していることから、上記熱電素子２，２，…の電流を個別に制御することにより、任意の形状に変形できる。
【００４５】
図２１は、図１９及び図２０に示す運動素子６を医療用カテーテルに適用した場合を示す説明図である。即ち、医療用カテーテル１８の内部に上記の運動素子６を適宜の個数挿入し、熱電素子２，２，…の電流を個別に制御することにより任意の形状に変形して、上記医療用カテーテル１８を例えば血管内に容易に誘導挿入できる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されたので、請求項１，５に係る発明によれば、高温と低温とで異なる形状を呈する形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成された運動部材の片面にて、ペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子と上記運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成としたことにより、上記各熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことで上記運動部材を加熱又は冷却して変形させ、該運動部材の変形によって運動力を発生させることができる。この場合、所定長さの運動部材の片面にて複数個の熱電素子が凸形のアリと凹形のアリミゾとの嵌合により、適宜スライドして大きい曲率で長い寸法にわたって変形が生じる。これにより、エネルギー消費が少なく、大きな力を発生することができ、且つ反応速度が速く、さらに小形化することができる運動素子を実現することができる。
また、請求項２〜５に係る発明によれば、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材が対向する面にて、それらの間に挟まれて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子と上記運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成としたことにより、上記各熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことで上記各運動部材を加熱又は冷却して同一方向に変形させ、該運動部材の変形によって運動力を発生させることができる。この場合、二つの運動部材が対向する面にて複数個の熱電素子が凸形のアリと凹形のアリミゾとの嵌合により、適宜スライドして大きい曲率で長い寸法にわたって変形が生じる。これにより、エネルギー消費が少なく、大きな力を発生することができ、且つ反応速度が速く、さらに小形化することができる運動素子を実現することができる。
さらに、請求項６に係る発明によれば、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材をその平行配設の軸を直交させて配置した各組の二つの運動部材が対向する面にて、各組の運動部材の間に挟まれると共に各組毎に絶縁されて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子と運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成としたことにより、上記各組の熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことで上記各組の運動部材を加熱又は冷却して直交二方向に任意に変形させ、これらの運動部材の変形によって運動力を発生させることができる。この場合、各組の二つの運動部材が対向する面にて複数個の熱電素子が凸形のアリと凹形のアリミゾとの嵌合により、適宜スライドして大きい曲率で長い寸法にわたって変形が生じる。これにより、エネルギー消費が少なく、大きな力を発生することができ、且つ反応速度が速く、さらに小形化することができる運動素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図である。
【図２】図１に示す運動素子の底面図である。
【図３】図１及び図２に示す運動素子を直線搬送装置に適用した場合を示す断面説明図である。
【図４】図１及び図２に示す運動素子を回転搬送装置に適用した場合を示す平面説明図である。
【図５】第二の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図である。
【図６】図５に示す運動素子の平面図である。
【図７】図５に示す運動素子の部分拡大説明図であり、（ａ）図は図５のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面図である。
【図８】図５及び図６に示す運動素子をフレキシブルなチューブの開閉装置に適用した場合を示す説明図である。
【図９】上記運動素子をバルブとして用いる場合の変形例を示す説明図である。
【図１０】図９で示したバルブの応用例を示す説明図である。
【図１１】第三の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図である。
【図１２】図１１に示す運動素子の平面図である。
【図１３】図１１に示す運動素子の部分拡大説明図であり、（ａ）図は図１１のＣ−Ｃ線断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１４】図１１及び図１２に示す運動素子をぜん動運動するアクチュエータに適用した場合を示す説明図である。
【図１５】図１４で示したぜん動運動するアクチュエータの応用例を示す説明図である。
【図１６】図１１及び図１２に示す第三の発明による運動素子の他の実施形態を示す平面説明図である。
【図１７】図１６に示す運動素子を人工心臓の右心室と左心室との隔壁に適用した場合を示す説明図である。
【図１８】図１１及び図１２に示す第三の発明による運動素子の他の実施形態を示す平面説明図である。
【図１９】第四の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図である。
【図２０】図１９のＥ−Ｅ線断面図である。
【図２１】図１９及び図２０に示す運動素子を医療用カテーテルに適用した場合を示す説明図である。
【符号の説明】
１…運動部材
２…熱電素子
３ａ，３ｂ，１６…リード線
４…切換スイッチ
５…ボリューム
６…運動素子
８…アリ
９…アリミゾ
１０…熱伝導ペースト
１４…弾性を有する膜
１５…人工心臓
１７…フレキシブルなチューブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の産業分野で用いられエネルギーを変位、速度、力などの実際の物理量に変換するアクチュエータ等の運動素子に関し、特に、エネルギー消費が少なく、大きな力を発生することができ、且つ反応速度が速く、さらに小形化することができる運動素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の運動素子としては、例えばマイクロマシンの分野で使われているアクチュエータ等がある。このような運動素子は、例えば電磁気的な吸引力と斥力とを用いて直線運動や回転運動などを行う電磁弁やモータ等、或いは電気ヒータによる加熱で部材を変形させるもの等がその例である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の運動素子においては、電磁気的な吸引力と斥力とを用いたり、電気ヒータによる加熱で部材を変形させたりしているので、あまり大きな力は発生できなかった。また、電気ヒータによる加熱は、ジュール熱の発生によるものであり、エネルギー消費が大きいと共に、急激に冷すことができないことから反応速度を速くすることができなかった。さらに、モータを必要とする場合には、あまり小形化することはできなかった。
【０００４】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、エネルギー消費が少なく、大きな力を発生することができ、且つ反応速度が速く、さらに小形化することができる運動素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第一の手段による運動素子は、高温と低温とで異なる形状を呈する形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成された運動部材と、この運動部材の片面に設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子とを備え、上記運動部材の片面にて上記熱電素子と運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成とし、上記各熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記運動部材を加熱又は冷却して変形させ、該運動部材の変形によって運動力を発生させるものである。
【０００７】
また、第二の手段による運動素子は、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材と、これらの運動部材の間に挟まれて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子とを備え、上記二つの運動部材が対向する面にて上記熱電素子と運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成とし、上記各熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記各運動部材を加熱又は冷却して同一方向に変形させ、該運動部材の変形によって運動力を発生させるものである。
【０００８】
また、上記二つの運動部材は、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの十字形状又は放射形状に形成されると共に平行に配設されたものとしてもよい。
【０００９】
さらに、上記二つの運動部材は、一定温度以上で互いに反対方向の球状の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定面積の平板状に形成されると共に平行に配設されたものとしてもよい。
【００１０】
さらにまた、上記各手段において、熱電素子に、電流を正方向に流して運動部材を加熱又は冷却して変形させ、一定時間後に電流を逆方向に流して該運動部材を加熱又は冷却して変形させ、上記運動部材に往復運動をさせるようにしてもよい。
【００１１】
また、第三の手段による運動素子は、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材をその平行配設の軸を直交させて配置した二組の運動部材と、これら各組の運動部材の間に挟まれると共に各組毎に絶縁されて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子とを備え、上記各組の二つの運動部材が対向する面にて上記熱電素子と運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成とし、上記各組の熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記各組の運動部材を加熱又は冷却して直交二方向に任意に変形させ、これらの運動部材の変形によって運動力を発生させるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は第一の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図であり、図２はその底面図である。この運動素子は、各種の産業分野で用いられエネルギーを変位、速度、力などの実際の物理量に変換するアクチュエータ等であり、運動部材１と、熱電素子２とを備えて成る。
【００１５】
上記運動部材１は、この部材の変形によって実際に運動力を発生するもので、高温と低温とで異なる形状を呈する形状記憶合金から成り、例えば適宜の長さの矩形状板に形成されている。上記形状記憶合金は、高温で成形したときの形状を記憶していて、室温で変形を与えても、加熱すると瞬間的に元の成形時の形状に戻る性質があり、形状回復に伴って大きな力を発生するという特徴を有する。実用的な形状記憶合金としては、例えばＴiＮi，Ｃu-Ｚn-Ａl，Ｃu-Ａl-Ｎiなどがある。そして、図１においては、高温時（温度Ｔが変態温度Ａfより高い）には破線で示すように一側方に反り返った状態の形状を記憶しており、低温時（温度Ｔが変態温度Ａfより低い）には実線で示すように直線状に伸びた状態の形状を記憶している場合を示している。
【００１６】
熱電素子２は、上記運動部材１をペルチエ効果を利用して加熱又は冷却するもので、例えば適宜の大きさのブロック状に形成されたペルチエ素子から成り、運動部材１の片面の一部に設けられている。上記ペルチエ素子は、異種の導体の接点に電流を流すとき、その接点でジュール熱以外に熱の発生又は吸収が起こる現象を利用したもので、電流の方向を逆にすれば熱の発生と吸収は反対になる性質を有する。図１及び図２においては、上記熱電素子２の両端部にリード線３ａ，３ｂを介して直流電源Ｅが接続されており、途中に設けられた切換スイッチ４により上記直流電源Ｅの接続極性を適宜変えるようになっている。なお、図１及び図２において、符号５は上記熱電素子２に供給する電流を調整するボリュームを示している。また、上記直流電源Ｅは、バッテリでもよいし、交流電源を直流に整流したものでもよい。
【００１７】
このような状態で、上記熱電素子２に直流電源Ｅにより電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記運動部材１を加熱又は冷却して変形させ、この運動部材の変形によって運動力を発生させるようになっている。例えば図１において、運動部材１が低温時には実線で示すように直線状に伸びた状態になっており、この状態で熱電素子２に電流を正方向に供給して上記運動部材１に接している面を加熱すると（このとき反対側の面は冷却される）、運動部材１は素早く加熱されて高温になり破線で示すように一側方に反り返った状態の記憶形状に回復する。
【００１８】
次に、切換スイッチ４を切り換えて熱電素子２に供給する電流の向きを上記と逆方向にすると、熱電素子２の運動部材１に接している面が冷却され、実線で示すように低温時に記憶している直線状に伸びた状態に変形する。このような運動部材１の変形によって運動力が発生する。
【００１９】
図３は、図１及び図２に示す運動素子６を直線搬送装置に適用した場合を示す断面説明図である。ある平面上に、運動部材１が露出するようにして複数個の運動素子６1，６2，…，６5を直線状に並べてある。そして、各運動素子６1〜６5の運動部材１1〜１5は、それぞれの熱電素子２にある極性で通電時に立ち上がり、通電していないときは寝ている状態に構成されているとする。この場合、上記運動素子６1〜６5に順次通電し遮断することにより、それらの運動部材１1〜１5が一端側から順次立ち上がり、該運動部材１1〜１5の上に置いた物体を直線状に搬送することができる。
【００２０】
また、図４は、図１及び図２に示す運動素子６を回転搬送装置に適用した場合を示す平面説明図である。ある平面上に、運動部材１1〜１nが露出するようにして複数個の運動素子６（図示略）が円形状に並べてある。この場合、上記運動素子６に順次通電し遮断することにより、それらの運動部材１1〜１nが１ヶ所から円を描くように順次立ち上がり、該運動部材１1〜１nの上に置いた物体を円周方向に回転させながら搬送することができる。
【００２１】
図５は、第二の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図であり、図６はその平面図である。この実施形態の運動素子６は、高温と低温とで異なる形状を呈する形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成された運動部材１と、この運動部材１の片面に設けられペルチエ効果を利用して該運動部材１を加熱又は冷却する複数個の熱電素子２，２，…とを備えて成る。
【００２２】
上記運動部材１は、図６に示すように長さがａ（例えば５０mm程度）、幅がｂ（例えば４mm程度）の細長い板状に形成され、図５に示すように高温時（Ｔ＞Ａf）には破線で示すように一側方に反り返った状態の形状を記憶しており、低温時（Ｔ＜Ａf）には実線で示すように直線状に伸びた状態の形状を記憶している 。なお、図５及び図６において、細長状の運動部材１の根本部には、この運動素子６を所要の箇所に取り付けるための取付部材７が溶接、ビス等により固定されている。
【００２３】
熱電素子２は、上記運動部材１の片面に図６に示す所定間隔ｃ（例えば１mm程度）をあけて複数個１列状に並べられており、その片面に対して適宜スライド可能に設けられている。例えば、図７（ａ）に示すように、熱電素子２と運動部材１とが接触する面に凸形のアリ８と、凹形のアリミゾ９とを設け、この両者を嵌合して互いに滑りうるように組み合わせてある。また、図７（ｂ）に示すように、上記運動部材１と熱電素子２との接合面間には、熱伝導ペースト１０が介在されている。この熱伝導ペースト１０は、熱電素子２の加熱による熱を運動部材１に伝達すると共に、運動部材１と熱電素子２との間の潤滑の役目をするものである。なお、上記複数個の熱電素子２，２，…は、リード線３ａ，３ｂで直列に接続されている。その他の部分は、図１及び図２に示す運動素子６の構成と同様である。
【００２４】
このような状態で、上記各熱電素子２に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記運動部材１を加熱又は冷却して変形させ、この運動部材の変形によって運動力を発生させるようになっている。この場合の基本的な動作は、図１の実施形態と同様であるが、図５及び図６の場合は運動部材１が長いことと、熱電素子２が複数個設けられていることから、該熱電素子２，２，…が運動部材１上を適宜スライドして大きい曲率で長い寸法にわたって変形が生じる。
【００２５】
なお、図５及び図６に示す運動素子６において、運動部材１及び複数個の熱電素子２，２，…の全体を細長いフレキシブルなチューブ又は人工皮膚等で覆ってもよい。また、取付部材７に取り付ける運動部材１の根本部に、該運動部材１を長手方向の軸周りに回転させる回転機構を設けてもよい。この場合は、上記運動部材１を任意の向きに回転させて変形させることができる。さらに、運動部材１は、細長い板状に限らず、細長い棒状又は線状に形成してもよい。
【００２６】
図８は、図５及び図６に示す運動素子６をフレキシブルなチューブの開閉装置に適用した場合を示す説明図である。この場合、フレキシブルなチューブ１１の両側面に２個の運動素子６ａ，６ｂを沿わせて配置し、これらの運動素子６ａ，６ｂを変形させてチューブ１１を開閉させるようになっている。即ち、各運動素子６ａ，６ｂの運動部材１，１は、低温時（Ｔ＜Ａf）には図８（ａ）に示すように互いに内側に反り返るアーチ状の形状を記憶しており、高温時（Ｔ＞Ａf）には同図（ｂ）に示すように平面状或いは曲率半径の大きい円弧状に湾曲した形状を記憶していて、熱電素子２に通電しない低温時には図８（ａ）に示すように変形してチューブ１１を閉じ、通電して加熱時には同図（ｂ）に示すように変形してチューブ１１を開く。より具体的な適用例として、尿道を通常の体温では閉じておき（図８（ａ）参照）、必要に応じて熱電素子２を加熱して尿道を開く（図８（ｂ）参照）医療用のバルブとして用いることができる。
【００２７】
図９は、バルブとして用いる場合の変形例を示す説明図である。この場合は、１個の運動素子６をチューブ押え具１２の回りに固定したもので、チューブ押え具１２の内方に差し込まれたフレキシブルなチューブ又はパイプ（図示略）を開閉するものである。上記運動素子６は、図９（ａ）に示す高温時（Ｔ＞Ａf）には略円形に開いており、同図（ｂ）に示す低温時（Ｔ＜Ａf）には略三角形に閉じた状態となり、内部のチューブ又はパイプを開閉するようになっている。
【００２８】
図１０は、図９で示したバルブの応用例を示す説明図である。血管１３の回りに複数個の運動素子６1，６2，６3，…を配置し、該運動素子６1，６2，６3，…を一端方から順に開閉を繰り返して上記血管１３を押え、一種のフィンガーポンプ状の機構により例えば心拍に同期して血流に脈動を発生させるものである。
【００２９】
図１１は、第三の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図であり、図１２はその平面図である。この実施形態の運動素子６は、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材１ａ，１ｂと、これらの運動部材１ａ，１ｂの間に挟まれて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材１ａ，１ｂを加熱又は冷却する複数個の熱電素子２，２，…とを備えて成る。
【００３０】
上記二つの運動部材１ａ，１ｂは、図６に示すと同様に長さがａ（例えば５０mm程度）、幅がｂ（例えば４mm程度）の細長い板状に形成され、図１１に示すように高温時（Ｔ＞Ａf）にはそれぞれ破線で示すように互いに反対方向の曲率を持って反り返った状態の形状を記憶しており、低温時（Ｔ＜Ａf）には実線で示すように直線状に伸びた状態の形状を記憶している。
【００３１】
熱電素子２は、上記運動部材１ａ，１ｂの間に挟まれて図６に示すと同様に所定間隔ｃ（例えば１mm程度）をあけて複数個１列状に並べられており、その両部材間で適宜スライド可能に設けられている。例えば、図１３（ａ）に示すように、熱電素子２と運動部材１ａ，１ｂとが接触する面に凸形のアリ８と、凹形のアリミゾ９とを設け、この両者を嵌合して互いに滑りうるように組み合わせてある。また、図１３（ｂ）に示すように、上記運動部材１ａ，１ｂと熱電素子２との接合面間には、熱伝導ペースト１０が介在されている。その他の部分は、図５及び図６に示す運動素子６の構成と同様である。
【００３２】
このような状態で、上記各熱電素子２に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記各運動部材１ａ，１ｂを加熱又は冷却して同一方向に変形させ、この運動部材の変形によって運動力を発生させるようになっている。この場合の基本的な動作は、図５及び図６の実施形態と同様であるが、図１１及び図１２の場合は運動部材１が平行に配設された二つの部材１ａ，１ｂを有していることから、次のように動作する。
【００３３】
即ち、直列に接続された複数個の熱電素子２，２，…にヒートポンプの作用をさせて一方の面と他方の面とで加熱及び冷却を同時に行うことにより、一定温度以上になると互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成る二つの運動部材１ａ，１ｂの一方の部材１ａの温度を速やかに昇温して図１１に破線１ａで示すように変形させ、他方の部材１ｂは冷却されて弾性率が低下し上記加熱側の運動部材１ａの変形に従って変形し、二つの部材１ａ，１ｂは全体として図１１に破線１ａで示すように変形する。次に、上記熱電素子２，２，…に逆方向に電流を流すと、一方の面と他方の面とで加熱、冷却を高速に転換でき、上記と逆方向の変形を素早く起こさせ、二つの部材１ａ，１ｂは全体として図１１に破線１ｂで示すように変形する。このとき、上記の変形に必要なエネルギーは、電気ヒータによる加熱に比べて数分の一のエネルギーですむ。また、他方側の運動部材の温度を速やかに冷却して変形し易くするので、運動素子６としての反応速度を速くすることができる。
【００３４】
なお、図１１及び図１２に示す運動素子６において、運動部材１ａ，１ｂ及び複数個の熱電素子２，２，…の全体を細長いフレキシブルなチューブ又は人工皮膚等で覆ってもよい。また、取付部材７に取り付ける運動部材１ａ，１ｂの根本部に、該運動部材１ａ，１ｂを長手方向の軸周りに回転させる回転機構を設けてもよい。この場合は、上記運動部材１ａ，１ｂを任意の向きに回転させて変形させることができる。さらに、運動部材１ａ，１ｂは、細長い板状に限らず、細長い棒状又は線状に形成してもよい。
【００３５】
図１４は、図１１及び図１２に示す運動素子６をぜん動運動するアクチュエータに適用した場合を示す説明図である。この場合、図１４（ａ）に示すように、高温時（Ｔ＞Ａf）にアーチ状の形状記憶をした二つの運動部材１ａ，１ｂの間に、隣同士で極性を反対にした熱電素子２を複数個並べたものである。そして、同図（ｂ）に示すように、一方の熱電素子２ａは下面側が加熱で上面側が冷却とされており、他方の熱電素子２ｂは上面側が加熱で下面側が冷却とされている。したがって、図１４（ａ）に示す運動素子６は、各熱電素子２ａ，２ｂによる加熱部と冷却部とが隣合っており、該熱電素子２ａ，２ｂに通電、遮断することにより上記運動部材１ａ，１ｂは波打つようにぜん動運動をするようになる。
【００３６】
図１５は、図１４で示したぜん動運動するアクチュエータの応用例を示す説明図である。図１５（ａ）に示すように血管１３の断面回りに三つの運動素子６1 ，６2，６3を該血管１３の長手方向に沿わせて配置し、同図（ｂ）に示すように各運動素子６1，６2，６3の周期を合わせてぜん動運動をさせることにより、血流に脈動を発生させるものである。
【００３７】
図１６は、図１１及び図１２に示す第三の発明による運動素子の他の実施形態を示す平面説明図である。この実施形態の運動素子６は、二つの運動部材１ａ，１ｂを、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの十字形状又は放射形状に形成すると共に、平行に配設したものである。そして、上記十字形状又は放射形状に形成された二つの運動部材１ａ，１ｂの両側面に弾性を有する膜１４を接着してある。なお、図１６においては、片面側の運動部材１ａ及び膜１４を省略して図示している。
【００３８】
図１７は、図１６に示す運動素子６を人工心臓１５の右心室と左心室との隔壁に適用した場合を示す説明図である。この場合、上記二つの運動部材１ａ，１ｂ間の熱電素子２，２，…に電流を一方向又は逆方向に流すことにより、上記運動部材１ａ，１ｂを加熱又は冷却して変形させ、図１７に破線で示すように膜１４を一側方又は他側方にふくらむ曲面に変形させて、血流を送るポンプ機構を備えた人工心臓１５が構成される。このような人工心臓１５では、モータなどの回転部分が無く、血球を破壊しにくいと共に、少ないエネルギーで駆動できる。
【００３９】
図１８は、図１１及び図１２に示す第三の発明による運動素子の他の実施形態を示す平面説明図である。この実施形態の運動素子６は、二つの運動部材１ａ，１ｂを、一定温度以上で互いに反対方向の球状の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定面積の平板状（例えばダイヤフラム状）に形成すると共に、平行に配設したものである。なお、図１８においては、片面側の運動部材１ａを省略して図示している。この場合も、図１７に示すと同様に、人工心臓１５の右心室と左心室との隔壁に適用することができる。
【００４０】
なお、以上で説明した運動素子６の各実施の形態において、上記熱電素子２に、電流を一方向に流して運動部材１を加熱又は冷却し、一定時間後に電流を逆方向に流して該運動部材１を加熱又は冷却して変形させ、上記運動部材１に往復運動をさせるようにしてもよい。
【００４１】
図１９は、第四の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図であり、図２０はそのＥ−Ｅ線断面図である。この実施形態の運動素子６は、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材をその平行配設の軸を直交させて配置した二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄと、これら各組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄの間に挟まれると共に各組毎に絶縁されて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子２，２，…とを備えて成る。
【００４２】
上記二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄは、図６に示すと同様に長さがａ（例えば５０mm程度）で、１mm角程度の断面積の細長い棒状又は線状に形成され、図１９に示すように高温時（Ｔ＞Ａf）にはそれぞれ破線で示すように互いに反対方向の曲率を持って反り返った状態の形状を記憶しており、低温時（Ｔ＜Ａf）には実線で示すように直線状に伸びた状態の形状を記憶している。
【００４３】
熱電素子２は、上記二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄの間に挟まれて図６に示すと同様に所定間隔ｃ（例えば１mm程度）をあけて複数個互い違いに直交状態に並べられており、二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄのそれぞれの間で適宜スライド可能に設けられている。そして、上記運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄと熱電素子２との接合面間には、熱伝導ペーストが介在されている。なお、図２０において、符号１６は上記各熱電素子２，２，…に電流を供給するためのリード線を示し、符号１７は二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄ及び複数個の熱電素子２，２，…の全体を覆った細長いフレキシブルなチューブ又は人工皮膚等を示している。
【００４４】
このような状態で、上記各組の熱電素子２，２，…に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記各組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄを加熱又は冷却して直交二方向に任意に変形させ、この運動部材の変形によって運動力を発生させるようになっている。この場合の基本的な動作は、図１１及び図１２の実施形態と同様であるが、図１９及び図２０の場合は二つの運動部材の平行配設の軸を直交させて配置した二組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄと、これら各組の運動部材１ａ，１ｂ；１ｃ，１ｄの間に挟まれた熱電素子２，２，…を有していることから、上記熱電素子２，２，…の電流を個別に制御することにより、任意の形状に変形できる。
【００４５】
図２１は、図１９及び図２０に示す運動素子６を医療用カテーテルに適用した場合を示す説明図である。即ち、医療用カテーテル１８の内部に上記の運動素子６を適宜の個数挿入し、熱電素子２，２，…の電流を個別に制御することにより任意の形状に変形して、上記医療用カテーテル１８を例えば血管内に容易に誘導挿入できる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されたので、請求項１，５に係る発明によれば、高温と低温とで異なる形状を呈する形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成された運動部材の片面にて、ペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子と上記運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成としたことにより、上記各熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことで上記運動部材を加熱又は冷却して変形させ、該運動部材の変形によって運動力を発生させることができる。この場合、所定長さの運動部材の片面にて複数個の熱電素子が凸形のアリと凹形のアリミゾとの嵌合により、適宜スライドして大きい曲率で長い寸法にわたって変形が生じる。これにより、エネルギー消費が少なく、大きな力を発生することができ、且つ反応速度が速く、さらに小形化することができる運動素子を実現することができる。
また、請求項２〜５に係る発明によれば、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材が対向する面にて、それらの間に挟まれて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子と上記運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成としたことにより、上記各熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことで上記各運動部材を加熱又は冷却して同一方向に変形させ、該運動部材の変形によって運動力を発生させることができる。この場合、二つの運動部材が対向する面にて複数個の熱電素子が凸形のアリと凹形のアリミゾとの嵌合により、適宜スライドして大きい曲率で長い寸法にわたって変形が生じる。これにより、エネルギー消費が少なく、大きな力を発生することができ、且つ反応速度が速く、さらに小形化することができる運動素子を実現することができる。
さらに、請求項６に係る発明によれば、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材をその平行配設の軸を直交させて配置した各組の二つの運動部材が対向する面にて、各組の運動部材の間に挟まれると共に各組毎に絶縁されて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子と運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成としたことにより、上記各組の熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことで上記各組の運動部材を加熱又は冷却して直交二方向に任意に変形させ、これらの運動部材の変形によって運動力を発生させることができる。この場合、各組の二つの運動部材が対向する面にて複数個の熱電素子が凸形のアリと凹形のアリミゾとの嵌合により、適宜スライドして大きい曲率で長い寸法にわたって変形が生じる。これにより、エネルギー消費が少なく、大きな力を発生することができ、且つ反応速度が速く、さらに小形化することができる運動素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図である。
【図２】図１に示す運動素子の底面図である。
【図３】図１及び図２に示す運動素子を直線搬送装置に適用した場合を示す断面説明図である。
【図４】図１及び図２に示す運動素子を回転搬送装置に適用した場合を示す平面説明図である。
【図５】第二の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図である。
【図６】図５に示す運動素子の平面図である。
【図７】図５に示す運動素子の部分拡大説明図であり、（ａ）図は図５のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面図である。
【図８】図５及び図６に示す運動素子をフレキシブルなチューブの開閉装置に適用した場合を示す説明図である。
【図９】上記運動素子をバルブとして用いる場合の変形例を示す説明図である。
【図１０】図９で示したバルブの応用例を示す説明図である。
【図１１】第三の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図である。
【図１２】図１１に示す運動素子の平面図である。
【図１３】図１１に示す運動素子の部分拡大説明図であり、（ａ）図は図１１のＣ−Ｃ線断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１４】図１１及び図１２に示す運動素子をぜん動運動するアクチュエータに適用した場合を示す説明図である。
【図１５】図１４で示したぜん動運動するアクチュエータの応用例を示す説明図である。
【図１６】図１１及び図１２に示す第三の発明による運動素子の他の実施形態を示す平面説明図である。
【図１７】図１６に示す運動素子を人工心臓の右心室と左心室との隔壁に適用した場合を示す説明図である。
【図１８】図１１及び図１２に示す第三の発明による運動素子の他の実施形態を示す平面説明図である。
【図１９】第四の発明による運動素子の実施の形態を示す側面図である。
【図２０】図１９のＥ−Ｅ線断面図である。
【図２１】図１９及び図２０に示す運動素子を医療用カテーテルに適用した場合を示す説明図である。
【符号の説明】
１…運動部材
２…熱電素子
３ａ，３ｂ，１６…リード線
４…切換スイッチ
５…ボリューム
６…運動素子
８…アリ
９…アリミゾ
１０…熱伝導ペースト
１４…弾性を有する膜
１５…人工心臓
１７…フレキシブルなチューブ
Claims (6)
- 高温と低温とで異なる形状を呈する形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成された運動部材と、
この運動部材の片面に設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子とを備え、
上記運動部材の片面にて上記熱電素子と運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成とし、
上記各熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記運動部材を加熱又は冷却して変形させ、該運動部材の変形によって運動力を発生させることを特徴とする運動素子。 - 一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材と、
これらの運動部材の間に挟まれて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子とを備え、
上記二つの運動部材が対向する面にて上記熱電素子と運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成とし、
上記各熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記各運動部材を加熱又は冷却して同一方向に変形させ、該運動部材の変形によって運動力を発生させることを特徴とする運動素子。 - 上記二つの運動部材は、一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの十字形状又は放射形状に形成されると共に平行に配設されたものであることを特徴とする請求項２記載の運動素子。
- 上記二つの運動部材は、一定温度以上で互いに反対方向の球状の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定面積の平板状に形成されると共に平行に配設されたものであることを特徴とする請求項２記載の運動素子。
- 上記熱電素子に、電流を正方向に流して運動部材を加熱又は冷却して変形させ、一定時間後に電流を逆方向に流して該運動部材を加熱又は冷却して変形させ、上記運動部材に往復運動をさせることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の運動素子。
- 一定温度以上で互いに反対方向の曲率を持つ変形をする形状記憶合金から成り所定長さの細長状に形成されると共に平行に配設された二つの運動部材をその平行配設の軸を直交させて配置した二組の運動部材と、
これら各組の運動部材の間に挟まれると共に各組毎に絶縁されて設けられペルチエ効果を利用して該運動部材を加熱又は冷却する複数個の熱電素子とを備え、
上記各組の二つの運動部材が対向する面にて上記熱電素子と運動部材とが接触する相互の面に、凸形のアリと凹形のアリミゾとを設け該両者を嵌合してスライド可能な構成とし、
上記各組の熱電素子に電流を正方向又は逆方向に流すことにより上記各組の運動部材を加熱又は冷却して直交二方向に任意に変形させ、これらの運動部材の変形によって運動力を発生させることを特徴とする運動素子。
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