JP6574852B2 - 硬度可変アクチュエータ - Google Patents

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Description

本発明は、可撓性部材の硬度を変更するための硬度可変アクチュエータに関する。
日本国特許第３１２２６７３号は、挿入部の軟性部の硬度を変更し得る内視鏡を開示している。この内視鏡では、可撓性部材（たとえばコイルパイプ）の両端部が内視鏡の所定位置に固定されており、この可撓性部材には可撓性調整部材（たとえばコイルパイプに挿通された可撓性調整ワイヤ）が分離体を介して固定されている。可撓性部材と可撓性調整部材は、軟性部に沿って操作部にまで延び、かつ軟性部のほぼ全体にわたって延びている。可撓性調整部材を引っ張ることによって、可撓性部材が圧縮されて硬くなり、これにより、軟性部の硬度が変更される。
可撓性部材と可撓性調整部材は軟性部のほぼ全体にわたって延びているため、このような機構を駆動するには、非常に大きな力を必要とする。この機構の電動化を図った場合、大型の動力源が必要とされ、その構成は、大がかりなものとなる。
日本国特許第３１４２９２８号は、形状記憶合金を用いた可撓管用硬度可変装置を開示している。この硬度可変装置は、可撓管内に配設されるコイルと、このコイルの内側に配設される電気的絶縁性チューブと、この電気的絶縁性チューブ内にその軸方向に延びて配置される形状記憶合金製ワイヤと、この形状記憶合金製ワイヤを通電する通電加熱手段を備えている。
形状記憶合金製ワイヤは、低温時には、その長さが伸長し、高温時には、収縮する性質を有している。形状記憶合金製ワイヤは、コイルの両端に設けられた固定部を通って延出しており、その両端にかしめ部材が固定されている。形状記憶合金製ワイヤは、低温時には弛み、高温時には、かしめ部材が固定部に係合して突っ張るように配されている。
形状記憶合金製ワイヤは、通電加熱手段によって加熱された高温時には収縮してコイルを硬くする。一方、通電のない低温には、形状記憶合金製ワイヤは伸長してコイルを柔らかくする。
この硬度可変装置は、シンプルな構成であるため小型に構成され得るが、形状記憶合金製ワイヤの収縮時には、形状記憶合金製ワイヤの両端が拘束され、形状記憶合金製ワイヤに負荷がかかるため、その耐久性に難がある。
日本国特許第３１２２６７３号 日本国特許第３１４２９２８号
本発明の目的は、可撓性部材に装着され、可撓性部材に異なる硬度を提供し得る、シンプルな構成で耐久性のある硬度可変アクチュエータを提供することである。
この目的のため、硬度可変アクチュエータは、一端と他端を有し、加熱されることで硬度が高まる形状記憶部材と、前記形状記憶部材の長手軸に沿って前記形状記憶部材の外周を囲うように配置され、電流の供給を受けて発熱して前記形状記憶部材を加熱する加熱部材と、前記加熱部材の長手軸に沿って前記加熱部材の外周を囲うように配置され、内径が小さくなるように変形することにより前記加熱部材に接触して前記加熱部材を冷却し、前記内径が大きくなるように変形することにより前記加熱部材に対して非接触となる熱伝達媒体とを備えている。
図１は、第一実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。 図２は、第一実施形態による硬度可変アクチュエータの形状記憶部材における温度変化に対する硬度変化を示しているグラフである。 図３は、第一実施形態による硬度可変アクチュエータの形状記憶部材における時間経過に対する温度と硬度の変化を示しているグラフである。 図４は、第二実施形態による硬度可変アクチュエータであり、熱伝達媒体が非変形状態にある硬度可変アクチュエータを示している。 図５は、図４のＦ５−Ｆ５線に沿った硬度可変アクチュエータの断面を示している。 図６は、第二実施形態による硬度可変アクチュエータであり、熱伝達媒体が変形状態にある硬度可変アクチュエータを示している。 図７は、図６のＦ７−Ｆ７線に沿った硬度可変アクチュエータの断面を示している。 図８は、第三実施形態による硬度可変アクチュエータであり、熱伝達媒体が誘起部材を退避された状態にある硬度可変アクチュエータを示している。 図９は、図８のＦ９−Ｆ９線に沿った硬度可変アクチュエータの断面を示している。 図１０は、第三実施形態による硬度可変アクチュエータであり、熱伝達媒体が誘起部材を覆っている状態にある硬度可変アクチュエータを示している。 図１１は、図１０のＦ１１−Ｆ１１線に沿った硬度可変アクチュエータの断面を示している。 図１２は、第四実施形態による硬度可変アクチュエータであり、熱伝達媒体が第一の相の状態にある硬度可変アクチュエータを示している。 図１３は、第四実施形態による硬度可変アクチュエータであり、熱伝達媒体が第二の相の状態にある硬度可変アクチュエータを示している。 図１４は、第五実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。 図１５は、第六実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。 図１６は、第七実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。 図１７は、第八実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。 図１８は、第九実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。
［第一実施形態］
図１は、第一実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。硬度可変アクチュエータ１０は、可撓性部材に装着され、異なる硬度状態を取り得ることにより可撓性部材に異なる硬度を提供する機能を有している。図１に示されるように、硬度可変アクチュエータ１０は、第一の相と第二の相の間で相が移り変わり得る形状記憶部材２０と、形状記憶部材２０に第一の相と第二の相の間の相の移り変わりを引き起こさせる誘起部材３０を備えている。硬度可変アクチュエータ１０は、形状記憶部材２０が少なくとも一つの自由端をもつように可撓性部材に配される。可撓性部材は、たとえば、内視鏡の挿入部の外装部材であってよい。
形状記憶部材２０は、第一の相にあるときは、外力に従って容易に変形し得る軟質状態を取り、すなわち低い弾性係数を示し、したがって、可撓性部材に比較的低い硬度を提供する。また、形状記憶部材２０は、第二の相にあるときは、外力に抗してあらかじめ記憶している記憶形状を取る傾向を示す硬質状態を取り、すなわち高い弾性係数を示し、したがって、可撓性部材に比較的高い硬度を提供する。記憶形状は、これに限らないが、たとえば直線状であってよい。
ここにおいて、外力とは、形状記憶部材２０を変形させ得る力を意味しており、重力も外力の一部と考える。
誘起部材３０は、熱を発する機能を有している。形状記憶部材２０は、誘起部材３０の発熱に応じて、第一の相から第二の相に相が移り変わる性質を有している。
形状記憶部材２０は、たとえば形状記憶合金から構成されていてよい。形状記憶合金は、これに限らないが、たとえばＮｉＴｉを含む合金であってよい。また、形状記憶部材２０は、これに限らず、形状記憶ポリマー、形状記憶ゲル、形状記憶セラミックなど、他の材料から構成されていてもよい。
形状記憶部材２０を構成する形状記憶合金は、たとえば、マルテンサイト相とオーステナイト相の間で相が移り変わるものであってよい。その形状記憶合金は、マルテンサイト相時には、外力に対して比較的容易に塑性変形する。つまり、その形状記憶合金は、マルテンサイト相時には低い弾性係数を示す。一方、その形状記憶合金は、オーステナイト相時には、外力に抵抗して容易には変形しない。さらに大きな外力のために変形しても、その大きな外力がなくなれば、超弾性を示して、記憶している形状に戻る。つまり、その形状記憶合金は、オーステナイト相時には高い弾性係数を示す。
誘起部材３０は、導電性材料から構成されており、電流の供給に対して熱を発する性質を有している。誘起部材３０は、たとえば電熱線、つまり電気抵抗の大きい導電性部材で構成されてよい。
形状記憶部材２０は、細長い外観形状を有している。誘起部材３０は、ワイヤ状の部材で構成されており、形状記憶部材２０の外側周囲に配置されている。誘起部材３０は、形状記憶部材２０の長手軸に沿って延在している。誘起部材３０は、形状記憶部材２０から適度なすき間をおいて、形状記憶部材２０の長手軸に沿って、形状記憶部材２０の周囲を螺旋状に延びている。このような構成のおかげで、誘起部材３０によって発せられる熱は、形状記憶部材２０に効率良く伝達される。
形状記憶部材２０は、導電性材料から構成されていてよい。たとえば、形状記憶部材２０の周囲には絶縁膜４２が設けられている。絶縁膜４２は、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間の短絡を防止する働きをする。絶縁膜４２は、少なくとも誘起部材３０に面する部分を覆って設けられている。図１には、形状記憶部材２０の外周面を部分的に覆って設けられている形態が描かれているが、これに限らず、形状記憶部材２０の外周面の全体を覆って設けられていてもよく、また、形状記憶部材２０の全体を覆って設けられていてもよい。
誘起部材３０の周囲には絶縁膜４４が設けられている。絶縁膜４４は、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間の短絡と、誘起部材３０の隣接する部分間の短絡を防止する働きをする。
形状記憶部材２０は第一の端２２と第二の端２４を有しており、誘起部材３０は、形状記憶部材２０の第一の端２２の側に位置する第一の端３２と、形状記憶部材２０の第二の端２４の側に位置する第二の端３４を有している。
誘起部材３０の第一の端３２は、配線６２を介して制御部５０に電気的に接続されており、誘起部材３０の第二の端３４は、配線６４を介して制御部５０に電気的に接続されている。
制御部５０は、一つの電源５２と一つのスイッチ５４を含んでいる。電源５２とスイッチ５４は直列に接続されている。すなわち、電源５２の一端はスイッチ５４の一端と接続されており、電源５２の他端は配線６２と接続されており、スイッチ５４の他端は配線６４と接続されている。制御部５０は、スイッチ５４のオンすなわち閉じ動作に応じて、誘起部材３０に電流を供給し、また、スイッチ５４のオフすなわち開き動作に応じて、誘起部材３０に対する電流の供給を停止する。誘起部材３０は、電流の供給に応じて熱を発する。
硬度可変アクチュエータ１０はさらに、形状記憶部材２０を冷却する冷却機構７０を備えている。ここで、冷却とは、少なくとも、対象物の放熱を促進すること、言い換えれば、対象物の放熱作用を高めることを意味している。
冷却機構７０は、形状記憶部材２０の放熱を促進する熱伝達媒体７２を有している。熱伝達媒体７２は、必ずしも形状記憶部材２０の全体の放熱を促進する必要はなく、形状記憶部材２０の少なくとも一部分、たとえば、誘起部材３０に対応する部分の放熱を促進すればよい。ここで、誘起部材３０に対応する部分とは、誘起部材３０によって加熱される部分を意味している。
熱伝達媒体７２は、形状記憶部材２０と同様に、外力に従って容易に変形し得る。熱伝達媒体７２は、たとえば、第一の相にあるときの形状記憶部材２０と同等の弾性係数を有している。
熱伝達媒体７２は、誘起部材３０の外側周囲に配置されており、形状記憶部材２０の長手軸に沿って延在している。つまり、熱伝達媒体７２は中空形状たとえば円筒形状を有しており、形状記憶部材２０と誘起部材３０は熱伝達媒体７２の内側空間内に配置されている。このような構成のおかげで、硬度可変アクチュエータ１０は非常にコンパクトな構造体となっている。このような構造体は、径方向のサイズダウンに有利である。
熱伝達媒体７２は、形状記憶部材２０よりも高い熱伝導率を有している。たとえば、誘起部材３０は、形状記憶部材２０よりも高い熱伝導率を有しており、熱伝達媒体７２は、誘起部材３０よりも高い熱伝導率を有している。
上述された硬度可変アクチュエータ１０は、形状記憶部材２０の両端が何ら拘束されることなく、可撓性部材に装着される。たとえば、硬度可変アクチュエータ１０は、形状記憶部材２０の一端または両端が自由端であるように、可撓性部材の限られた空間内に少ないすき間をもって配置される。
ここにおいて、限られた空間とは、硬度可変アクチュエータ１０をちょうど収容し得る空間を意味している。したがって、硬度可変アクチュエータ１０と可撓性部材の一方の変形は、わずかであっても、他方に接触して外力を与え得る。
たとえば、可撓性部材は、硬度可変アクチュエータ１０の外径よりもわずかに大きい内径をもつチューブであり、このチューブの内部に硬度可変アクチュエータ１０が配置されてよい。これに限らず、可撓性部材は、硬度可変アクチュエータ１０よりもわずかに大きい空間を有してさえいればよい。
形状記憶部材２０が第一の相にあるとき、硬度可変アクチュエータ１０は、比較的低い硬度を可撓性部材に提供し、可撓性部材に作用する外力すなわち形状記憶部材２０を変形させ得る力に従って容易に変形する。
また、形状記憶部材２０が第二の相にあるとき、硬度可変アクチュエータ１０は、比較的高い硬度を可撓性部材に提供し、可撓性部材に作用する外力すなわち形状記憶部材２０を変形させ得る力に抗して記憶形状に戻る傾向を示す。
たとえば制御部５０によって形状記憶部材２０の相が第一の相と第二の相の間で切り換えられることによって、可撓性部材の硬度が切り換えられる。
硬度の切り換えに加えて、可撓性部材に外力が作用している状況下においては、硬度可変アクチュエータ１０は、可撓性部材の形状を切り換える双方向アクチュエータとしても機能する。また、可撓性部材に外力が作用しておらず、形状記憶部材２０の相が第二の相に切り換えられる前の第一の相において可撓性部材が変形されている状況下においては、可撓性部材の形状を元に戻す単一方向アクチュエータとしても機能する。
図２は、硬度可変アクチュエータ１０の形状記憶部材２０における温度変化に対する硬度変化を示しているグラフである。図２において、Ａｓ点は、加熱時にマルテンサイト相からオーステナイト相に相が移り変わり始める温度を示し、Ａｆ点は、加熱時にオーステナイト相に相が移り終わる温度を示し、Ｍｓ点は、冷却時にオーステナイト相からマルテンサイト相に相が移り変わり始める温度を示し、Ｍｆ点は、冷却時にマルテンサイト相に相が移り終わる温度を示している。Ａｓ点からＡｆ点に移り変わる間と、Ｍｓ点からＭｆ点に移り変わる間では、マルテンサイト相とオーステナイト相が混在している。図２から分かるように、加熱時の硬度変化の軌跡は、冷却時の硬度変化の軌跡と相違している。すなわち、形状記憶部材２０の温度変化に対する硬度変化はヒステリシスを有している。
図３は、オーステナイト相Ａｆからマルテンサイト相Ｍｆへと相が移り変わる間の時間経過に対する硬度可変アクチュエータ１０の形状記憶部材２０の温度と硬度の変化を示している。図３には、本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０すなわち冷却機構を有している硬度可変アクチュエータ１０における形状記憶部材２０の温度と硬度の変化が実線で示されている。図３にはまた、比較例として、冷却機構を有していない硬度可変アクチュエータにおける形状記憶部材の温度と硬度の変化が破線で示されている。
図３から示されるように、冷却機構なしの比較例の硬度可変アクチュエータの形状記憶部材は、時刻ｔ２においてマルテンサイト相Ｍｆへと相が移り変わっているのに対して、冷却機構ありの本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０の形状記憶部材２０は、時刻ｔ１（＜ｔ２）においてマルテンサイト相Ｍｆへと相が移り変わっている。つまり、冷却機構ありの本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０の形状記憶部材２０は、冷却機構なしの比較例の硬度可変アクチュエータの形状記憶部材よりも短時間の間にマルテンサイト相Ｍｆへと相が移り変わっている。
したがって、冷却機構ありの本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０の形状記憶部材２０の方が、冷却機構なしの比較例の硬度可変アクチュエータの形状記憶部材よりも短時間の間に硬質状態から軟質状態に変化している。つまり、冷却機構ありの本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０の方が、冷却機構なしの比較例の硬度可変アクチュエータよりも、硬質状態から軟質状態に移り変わるまでの時間が短い。
すなわち、冷却機構ありの本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０は、冷却機構なしの比較例の硬度可変アクチュエータの形状記憶部材と比較して、硬質状態から軟質状態への切り替えの応答性が向上されている。
［第二実施形態］
図４ないし図７は、第二実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図中、図１に図示されている部材と同一の参照符号で指示されている部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。また、第二実施形態以降の図においては、図の簡潔さのため、制御部５０と配線６２，６４と絶縁膜４２，４４の図示は省略されている。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明において触れられない部分は、第一実施形態と同様である。
図４は、熱伝達媒体７２Ａが非変形状態にある硬度可変アクチュエータ１０Ａを示している。図５は、図４のＦ５−Ｆ５線に沿った硬度可変アクチュエータ１０Ａの断面を示している。図６は、熱伝達媒体７２Ａが変形状態にある硬度可変アクチュエータ１０Ａを示している。図７は、図６のＦ７−Ｆ７線に沿った硬度可変アクチュエータ１０Ａの断面を示している。
本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ａは、形状記憶部材２０と誘起部材３０に加えて、形状記憶部材２０を冷却する冷却機構７０Ａを備えている。
冷却機構７０Ａは、形状記憶部材２０の放熱を促進する熱伝達媒体７２Ａを有している。熱伝達媒体７２Ａは、誘起部材３０の外側周囲に配置されており、形状記憶部材２０の長手軸に沿って延在している。つまり、熱伝達媒体７２Ａは中空形状、たとえば両端がすぼまった円筒形状を有しており、形状記憶部材２０と誘起部材３０は熱伝達媒体７２Ａの内側空間内に配置されている。
熱伝達媒体７２Ａは、形状記憶部材２０よりも高い熱伝導率を有している。たとえば、誘起部材３０は、形状記憶部材２０よりも高い熱伝導率を有しており、熱伝達媒体７２Ａは、誘起部材３０よりも高い熱伝導率を有している。
熱伝達媒体７２Ａは、弾性を有しており、機械的な力が加えられたときに容易に変形し、その力が除かれたときには元の形に戻る。熱伝達媒体７２Ａは、長手軸に沿って熱伝達媒体７２Ａを引き伸ばすような機械的な力が加えられたとき、長手軸に沿って伸びるとともに径が小さくなる。熱伝達媒体７２Ａは、容易に変形するように、たとえばメッシュ状に形作られている。
冷却機構７０Ａはさらに、熱伝達媒体７２Ａの第一の端７２Ａａを固定している固定部材７４Ａと、熱伝達媒体７２Ａの長手軸に沿った機械的な力を発生する力発生装置７６Ａと、力発生装置７６Ａによって発生された機械的な力を熱伝達媒体７２Ａに伝達する力伝達部材７８Ａを有している。力伝達部材７８Ａは、熱伝達媒体７２Ａの第二の端７２Ａｂに機械的に固定されており、力発生装置７６Ａによって熱伝達媒体７２Ａの長手軸に沿って移動される。力伝達部材７８Ａは、たとえばワイヤで構成されてよい。
熱伝達媒体７２Ａが非変形状態にあるとき、図４と図５に示されるように、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間にはすき間があり、また、誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ａの間にはすき間がある。
力発生装置７６Ａによって熱伝達媒体７２Ａの第二の端７２Ａｂが引っ張られると、熱伝達媒体７２Ａは引き伸ばされるとともに径が小さくなる。これにより、熱伝達媒体７２Ａは誘起部材３０に接触し、さらに熱伝達媒体７２Ａの小径化は誘起部材３０の径を小さくさせ、今度は誘起部材３０が形状記憶部材２０に接触する。その結果、図６と図７に示されるように、誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ａの間のすき間も、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間のすき間もなくなる。
反対に、熱伝達媒体７２Ａの第二の端７２Ａｂを引っ張る力が除かれると、熱伝達媒体７２Ａは、その復元力によって縮むとともに径が大きくなり、元の形状に戻る。その結果、図４と図５に示されるように、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間にすき間ができ、さらに、誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ａの間にもすき間ができる。
このように、冷却機構７０Ａは、熱伝達媒体７２Ａに機械的な力を加えて熱伝達媒体７２Ａを変形させることによって、より具体的には、力伝達部材７８Ａを介して熱伝達媒体７２Ａを引っ張って熱伝達媒体７２Ａを引き伸ばし、熱伝達媒体７２Ａの径を変化させることによって、誘起部材３０に対する熱伝達媒体７２Ａの接触／非接触の切り替えをおこなう。
形状記憶部材２０の放熱の効率は、形状記憶部材２０と誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ａが互いに機械的に離れている状態よりも、形状記憶部材２０と誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ａが互いに機械的に接触している状態の方が高い。つまり、冷却機構７０Ａによって誘起部材３０に対する熱伝達媒体７２Ａの接触／非接触が切り替えられることによって、形状記憶部材２０の放熱の効率が切り替えられる。
硬度可変アクチュエータ１０Ａの硬質状態から軟質状態への切り替えの際、冷却機構７０Ａによって熱伝達媒体７２Ａが誘起部材３０に接触させられることによって、軟質状態に移り変わるまでの時間が短縮される。
本実施形態は、誘起部材３０が形状記憶部材２０の外側周囲に配置されているため、冷却機構７０Ａによって熱伝達媒体７２Ａが誘起部材３０に接触させられる構成であるが、熱伝達媒体７２Ａが形状記憶部材２０に接触させられる構成とされてもよい。そのような構成は、たとえば、形状記憶部材２０が中空状に形作られ、形状記憶部材２０の内側空間内に誘起部材３０が配置された構成とすることによって得られる。
［第三実施形態］
図８ないし図１１は、第三実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図中、図１に図示されている部材と同一の参照符号で指示されている部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明において触れられない部分は、第一実施形態と同様である。
図８は、熱伝達媒体７２Ｂが誘起部材から退避された状態にある硬度可変アクチュエータ１０Ｂを示している。図９は、図８のＦ９−Ｆ９線に沿った硬度可変アクチュエータ１０Ｂの断面を示している。図１０は、熱伝達媒体７２Ｂが誘起部材を被覆した状態にある硬度可変アクチュエータ１０Ｂを示している。図１１は、図１０のＦ１１−Ｆ１１線に沿った硬度可変アクチュエータ１０Ｂの断面を示している。
本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｂは、形状記憶部材２０と誘起部材３０に加えて、形状記憶部材２０を冷却する冷却機構７０Ｂを備えている。
冷却機構７０Ｂは、形状記憶部材２０の放熱を促進する熱伝達媒体７２Ｂを有している。熱伝達媒体７２Ｂは、折り返された中空形状たとえば円筒形状を有しており、形状記憶部材２０の長手軸に沿って延在している。熱伝達媒体７２Ｂの内径は、誘起部材３０の外径よりもいくらか小さく設定されている。
熱伝達媒体７２Ｂは、形状記憶部材２０よりも高い熱伝導率を有している。たとえば、誘起部材３０は、形状記憶部材２０よりも高い熱伝導率を有しており、熱伝達媒体７２Ｂは、誘起部材３０よりも高い熱伝導率を有している。
熱伝達媒体７２Ｂは、柔軟性があり、機械的な力が加えられたときに容易に変形する。熱伝達媒体７２Ｂは、長手軸に沿って機械的な力が加えられたとき、折り返し部７２Ｂｃが長手軸に沿って移動する。
冷却機構７０Ｂはさらに、熱伝達媒体７２Ｂの第一の端７２Ｂａを固定している固定部材７４Ｂと、熱伝達媒体７２Ｂの長手軸に沿った機械的な力を発生する力発生装置７６Ｂと、力発生装置７６Ｂによって発生された機械的な力を熱伝達媒体７２Ｂに伝達する力伝達部材７８Ｂを有している。力伝達部材７８Ｂは、熱伝達媒体７２Ｂの第二の端７２Ｂｂに機械的に固定されており、力発生装置７６Ｂによって熱伝達媒体７２Ｂの長手軸に沿って移動される。
熱伝達媒体７２Ｂが誘起部材３０から退避された状態にあるとき、図８と図９に示されるように、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間にはすき間があり、また、誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ｂの間にはすき間がある。
力発生装置７６Ｂによって熱伝達媒体７２Ｂの第二の端７２Ｂｂが押し出される（すなわち誘起部材３０に近づく方に移動される）と、熱伝達媒体７２Ｂの折り返し部７２Ｂｃは、最初に誘起部材３０に当接した後、誘起部材３０を乗り越えて移動する。これにより、熱伝達媒体７２Ｂは誘起部材３０に接触し、また誘起部材３０は、径が小さくなり、形状記憶部材２０に接触する。その結果、図１０と図１１に示されるように、誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ｂの間のすき間も、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間のすき間もなくなる。
反対に、力発生装置７６Ｂによって熱伝達媒体７２Ｂの第二の端７２Ｂｂが引き戻される（すなわち誘起部材３０から離れる方に移動される）と、熱伝達媒体７２Ｂの折り返し部７２Ｂｃは、誘起部材３０上を移動し、最後には誘起部材３０から離れる。その結果、図８と図９に示されるように、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間にすき間ができ、さらに、誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ｂの間にもすき間ができる。
このように、冷却機構７０Ｂは、熱伝達媒体７２Ｂに機械的な力を加えて熱伝達媒体７２Ｂを変形させることによって、より具体的には、力伝達部材７８Ｂを介して熱伝達媒体７２Ｂを形状記憶部材２０の長手軸に沿って移動させることによって、誘起部材３０に対する熱伝達媒体７２Ｂの接触／非接触の切り替えをおこなう。
形状記憶部材２０の放熱の効率は、形状記憶部材２０と誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ｂが互いに機械的に離れている状態よりも、形状記憶部材２０と誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ｂが互いに機械的に接触している状態の方が高い。つまり、冷却機構７０Ｂによって誘起部材３０に対する熱伝達媒体７２Ｂの接触／非接触が切り替えられることによって、形状記憶部材２０の放熱の効率が切り替えられる。
硬度可変アクチュエータ１０Ｂの硬質状態から軟質状態への切り替えの際、冷却機構７０Ｂによって熱伝達媒体７２Ｂが誘起部材３０に接触させられることによって、軟質状態に移り変わるまでの時間が短縮される。
本実施形態は、誘起部材３０が形状記憶部材２０の外側周囲に配置されているため、冷却機構７０Ｂによって熱伝達媒体７２Ｂが誘起部材３０に接触させられる構成であるが、第二実施形態と同様に、熱伝達媒体７２Ｂが形状記憶部材２０に接触させられる構成とされてもよい。
［第四実施形態］
図１２と図１３は、第四実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図中、図１に図示されている部材と同一の参照符号で指示されている部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。また、第四実施形態以降の図においては、図の簡潔さのため、制御部５０と配線６２，６４と絶縁膜４２，４４の図示は省略されている。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明において触れられない部分は、第一実施形態と同様である。
図１２は、熱伝達媒体７２Ｃが第一の相の状態にある硬度可変アクチュエータ１０Ｃを示している。図１３は、熱伝達媒体７２Ｃが第二の相の状態にある硬度可変アクチュエータ１０Ｃを示している。
本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｃは、形状記憶部材２０と誘起部材３０に加えて、形状記憶部材２０を冷却する冷却機構７０Ｃを備えている。
冷却機構７０Ｃは、形状記憶部材２０の放熱を促進する熱伝達媒体７２Ｃを有している。熱伝達媒体７２Ｃは、誘起部材３０の外側周囲に配置されており、形状記憶部材２０の長手軸に沿って延在している。つまり、熱伝達媒体７２Ｃは中空形状たとえば円筒形状を有しており、形状記憶部材２０と誘起部材３０は熱伝達媒体７２Ｃの内側空間内に配置されている。
熱伝達媒体７２Ｃは、形状記憶部材２０よりも高い熱伝導率を有している。たとえば、誘起部材３０は、形状記憶部材２０よりも高い熱伝導率を有しており、熱伝達媒体７２Ｃは、誘起部材３０よりも高い熱伝導率を有している。
熱伝達媒体７２Ｃは、温度変化に応じて変形する形状記憶材料たとえば形状記憶合金で作られている。熱伝達媒体７２Ｃは、変態温度よりも低い第一の相の状態にあるときは、図１２に示されるように、径が大きい形状を記憶しており、変態温度よりも高い第二の相の状態にあるときは、図１３に示されるように、径が小さい形状を記憶している。熱伝達媒体７２Ｃの変態温度は、たとえば、形状記憶部材２０の変態温度よりも低くなるように材料選択がなされている。
熱伝達媒体７２Ｃが第一の相の状態にあるとき、図１２に示されるように、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間にはすき間があり、また、誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ｃの間にはすき間がある。
誘起部材３０の発熱によって熱伝達媒体７２Ｃの温度が上昇して変態温度を上回ると、熱伝達媒体７２Ｃは、第一の相の状態から第二の相の状態に移り変わり、径が小さくなる。これにより、熱伝達媒体７２Ｃは誘起部材３０に接触し、さらに熱伝達媒体７２Ｃの小径化は誘起部材３０の径を小さくさせ、今度は誘起部材３０が形状記憶部材２０に接触する。その結果、図１３に示されるように、誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ｃの間のすき間も、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間のすき間もなくなる。
反対に、熱伝達媒体７２Ｃの温度が下降して変態温度を下回ると、熱伝達媒体７２Ｃは、第二の相の状態から第一の相の状態に移り変わり、径が大きくなる。その結果、図１２に示されるように、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間にすき間ができ、さらに、誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ｃの間にもすき間ができる。
このように、熱伝達媒体７２Ｃは、温度変化に応じて誘起部材３０に対する接触／非接触の状態が切り替わる。
形状記憶部材２０の放熱の効率は、形状記憶部材２０と誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ｃが互いに機械的に離れている状態よりも、形状記憶部材２０と誘起部材３０と熱伝達媒体７２Ｃが互いに機械的に接触している状態の方が高い。つまり、冷却機構７０Ｃによって誘起部材３０に対する熱伝達媒体７２Ｃの接触／非接触が切り替えられることによって、形状記憶部材２０の放熱の効率が切り替えられる。
硬度可変アクチュエータ１０Ｃの硬質状態から軟質状態への切り替えの際、熱伝達媒体７２Ｃが誘起部材３０に接触していることによって、軟質状態に移り変わるまでの時間が短縮される。
本実施形態は、誘起部材３０が形状記憶部材２０の外側周囲に配置されているため、冷却機構７０Ｃによって熱伝達媒体７２Ｃが誘起部材３０に接触させられる構成であるが、第二実施形態と同様に、熱伝達媒体７２Ｃが形状記憶部材２０に接触させられる構成とされてもよい。
［第五実施形態］
図１４は、第五実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図中、図１に図示されている部材と同一の参照符号で指示されている部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明において触れられない部分は、第一実施形態と同様である。
本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｄは、形状記憶部材２０と誘起部材３０に加えて、形状記憶部材２０を冷却する冷却機構７０Ｄを備えている。
冷却機構７０Ｄは、形状記憶部材２０の放熱を促進する熱伝達媒体７２Ｄを有している。熱伝達媒体７２Ｄは、誘起部材３０の外側周囲に配置されており、形状記憶部材２０の長手軸に沿って延在している。つまり、熱伝達媒体７２Ｄは中空形状たとえば円筒形状を有しており、形状記憶部材２０と誘起部材３０は熱伝達媒体７２Ｄの内側空間内に配置されている。
熱伝達媒体７２Ｄは、形状記憶部材２０よりも高い熱伝導率を有している。
冷却機構７０Ｄはさらに、流体を供給する流体供給源８２Ｄと、流体供給源８２Ｄと熱伝達媒体７２Ｄの内側空間を流体的に接続している流体経路８４Ｄを有している。流体は、たとえば気体または液体であってよい。流体供給源８２Ｄは、たとえばコンプレッサまたはポンプで構成されてよい。
流体供給源８２Ｄから供給される流体は、流体経路８４Ｄを通って、熱伝達媒体７２Ｄの内側空間の中に流れ込み、矢印で示されるように、熱伝達媒体７２Ｄの内側空間を通り抜ける。その際、形状記憶部材２０の熱の一部が流体に伝わることにより、形状記憶部材２０は冷却される。流体の熱の一部は、熱伝達媒体７２Ｄに伝わり、熱伝達媒体７２Ｄの熱の一部は、周辺空間に放出される。
このように、冷却機構７０Ｄは、熱伝達媒体７２Ｄの内側空間に流体を供給することによって形状記憶部材２０を冷却する。したがって、形状記憶部材２０の温度は、熱伝達媒体７２Ｄの内側空間に流体が供給されていないときよりも、熱伝達媒体７２Ｄの内側空間に流体が供給されているときの方が、所定温度にまで短時間のうちに低下する。
硬度可変アクチュエータ１０Ｄの硬質状態から軟質状態への切り替えの際、冷却機構７０Ｄによって熱伝達媒体７２Ｄの内側空間に流体が供給されることによって、軟質状態に移り変わるまでの時間が短縮される。
［第六実施形態］
図１５は、第六実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図中、図１に図示されている部材と同一の参照符号で指示されている部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明において触れられない部分は、第一実施形態と同様である。
本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｅは、形状記憶部材２０と誘起部材３０に加えて、形状記憶部材２０を冷却する冷却機構７０Ｅを備えている。
冷却機構７０Ｅは、形状記憶部材２０の放熱を促進する熱伝達媒体７２Ｅを有している。熱伝達媒体７２Ｅは中空形状たとえば円筒形状を有している。形状記憶部材２０と誘起部材３０は、熱伝達媒体７２Ｅの外側周囲に配置されている。熱伝達媒体７２Ｅは、形状記憶部材２０の長手軸に沿って延在している。好ましくは、熱伝達媒体７２Ｅは、誘起部材３０に隣接して、たとえば接触して配置されている。
熱伝達媒体７２Ｅは、形状記憶部材２０よりも高い熱伝導率を有している。たとえば、誘起部材３０は、形状記憶部材２０よりも高い熱伝導率を有しており、熱伝達媒体７２Ｅは、誘起部材３０よりも高い熱伝導率を有している。
冷却機構７０Ｅはさらに、流体を供給する流体供給源８２Ｅと、流体供給源８２Ｅと熱伝達媒体７２Ｅの内側空間を流体的に接続している流体経路８４Ｅを有している。流体は、たとえば気体または液体であってよい。流体供給源８２Ｅは、たとえばコンプレッサまたはポンプで構成されてよい。
流体供給源８２Ｅから供給される流体は、流体経路８４Ｅを通って、熱伝達媒体７２Ｅの内側空間の中に流れ込み、矢印で示されるように、熱伝達媒体７２Ｅの内側空間を通り抜ける。形状記憶部材２０の熱の一部は熱伝達媒体７２Ｅに伝わり、熱伝達媒体７２Ｅの熱の一部は、周辺空間に放出され、また、熱伝達媒体７２Ｅの熱の別の一部は、流体に伝わる。
このように、冷却機構７０Ｅは、熱伝達媒体７２Ｅの内側空間に流体を供給することによって形状記憶部材２０を冷却する。したがって、形状記憶部材２０の温度は、熱伝達媒体７２Ｅの内側空間に流体が供給されていないときよりも、熱伝達媒体７２Ｅの内側空間に流体が供給されているときの方が、所定温度にまで短時間のうちに低下する。
硬度可変アクチュエータ１０Ｅの硬質状態から軟質状態への切り替えの際、冷却機構７０Ｅによって熱伝達媒体７２Ｅの内側空間に流体が供給されることによって、軟質状態に移り変わるまでの時間が短縮される。
硬度可変アクチュエータ１０Ｅが内視鏡内に設置される場合、熱伝達媒体７２Ｅは、流体を案内する内視鏡の管路部材たとえば送気管または送水管で構成されてよい。
［第七実施形態］
図１６は、第七実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図中、図１に図示されている部材と同一の参照符号で指示されている部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。つまり、以下の説明において触れられない部分は、第一実施形態と同様である。
本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｆは、形状記憶部材２０と複数の誘起部材３０に加えて、形状記憶部材２０を冷却する冷却機構７０Ｆを備えている。
複数の誘起部材３０は、形状記憶部材２０の外側周囲に配置されており、形状記憶部材２０の長手軸に沿って間隔を置いて配置されている。
冷却機構７０Ｆは、形状記憶部材２０の複数の部分の放熱をそれぞれ促進する複数の熱伝達媒体７２Ａと、複数の熱伝達媒体７２Ａの一端をそれぞれ固定している複数の固定部材７４Ａと、各熱伝達媒体７２Ａの長手軸に沿った機械的な力を発生する複数の力発生装置７６Ａと、各力発生装置７６Ａによって発生された機械的な力を各熱伝達媒体７２Ａに伝達する複数の力伝達部材７８Ａを有している。
それぞれ互いに対応している一つの熱伝達媒体７２Ａと一つの固定部材７４Ａと一つの力発生装置７６Ａと一つの力伝達部材７８Ａからなる構成は、第二実施形態の冷却機構７０Ａと機能的に同じである。言い換えれば、冷却機構７０Ｆは、各々が第二実施形態の冷却機構７０Ａに等しい複数の冷却機構を備えて構成されており、これら複数の冷却機構は互いに独立して動作し得る。すなわち、冷却機構７０Ｆは、複数の誘起部材３０が配置されている形状記憶部材２０の複数の部分をそれぞれ独立に冷却し得る。
これにより、各誘起部材３０が配置された形状記憶部材２０の各部分が硬質状態から軟質状態に切り替えられる際に、冷却機構７０Ｆによって各熱伝達媒体７２Ａが各誘起部材３０に独立して接触させられることによって、軟質状態に移り変わるまでの時間が短縮される。
本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｆは、二つの誘起部材３０を有し、冷却機構７０Ｆは、各々が第二実施形態の冷却機構７０Ａに等しい二つの冷却機構を有する構成例であるが、硬度可変アクチュエータ１０Ｆは、三つ以上の誘起部材３０を有し、冷却機構７０Ｆは、各々が第二実施形態の冷却機構７０Ａに等しい誘起部材３０と同数の冷却機構を有して構成されてもよい。
また、冷却機構７０Ｆは、各々が第二実施形態以外の冷却機構７０，７０Ｂ〜７０Ｅに等しい複数の冷却機構を備えて構成されてもよい。
［第八実施形態］
図１７は、第八実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図中、図１に図示されている部材と同一の参照符号で指示されている部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明において触れられない部分は、第一実施形態と同様である。
本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｇは、第一の相と第二の相の間で相が移り変わり得る中空形状たとえば円筒形状の形状記憶部材２０Ｇと、形状記憶部材２０Ｇの外側周囲に配置された誘起部材３０と、形状記憶部材２０Ｇを冷却する冷却機構７０Ｇを備えている。
形状記憶部材２０Ｇは、形状の違いを除いては、第一実施形態の形状記憶部材２０と同様である。
冷却機構７０Ｇは、形状記憶部材２０Ｇの放熱を促進する熱伝達媒体７２Ｇを有している。熱伝達媒体７２Ｇは中空形状たとえば円筒形状を有している。熱伝達媒体７２Ｇは、形状記憶部材２０Ｇの内側空間を貫いて延びている。熱伝達媒体７２Ｇは、形状記憶部材２０Ｇの長手軸に沿って延在している。
熱伝達媒体７２Ｇは、形状記憶部材２０Ｇよりも高い熱伝導率を有している。
冷却機構７０Ｇはさらに、流体を供給する流体供給源８２Ｇと、流体供給源８２Ｇと熱伝達媒体７２Ｇの内側空間を流体的に接続している流体経路８４Ｇを有している。流体は、たとえば気体または液体であってよい。流体供給源８２Ｇは、たとえばコンプレッサまたはポンプで構成されてよい。
流体供給源８２Ｇから供給される流体は、流体経路８４Ｇを通って、熱伝達媒体７２Ｇの内側空間の中に流れ込み、矢印で示されるように、熱伝達媒体７２Ｇの内側空間を通り抜ける。形状記憶部材２０Ｇの熱の一部は熱伝達媒体７２Ｇに伝わり、熱伝達媒体７２Ｇの熱の一部は、周辺空間に放出され、また、熱伝達媒体７２Ｇの熱の別の一部は、流体に伝わる。
このように、冷却機構７０Ｇは、熱伝達媒体７２Ｇの内側空間に流体を供給することによって形状記憶部材２０Ｇを冷却する。したがって、形状記憶部材２０Ｇの温度は、熱伝達媒体７２Ｇの内側空間に流体が供給されていないときよりも、熱伝達媒体７２Ｇの内側空間に流体が供給されているときの方が、所定温度にまで短時間のうちに低下する。
硬度可変アクチュエータ１０Ｇの硬質状態から軟質状態への切り替えの際、冷却機構７０Ｇによって熱伝達媒体７２Ｇの内側空間に流体が供給されることによって、軟質状態に移り変わるまでの時間が短縮される。
［第九実施形態］
図１８は、第九実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図中、図１に図示されている部材と同一の参照符号で指示されている部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明において触れられない部分は、第一実施形態と同様である。
本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｈは、第一の相と第二の相の間で相が移り変わり得るワイヤ状の複数の形状記憶部材２０Ｈと、複数の形状記憶部材２０Ｈの外側周囲に配置された誘起部材３０と、形状記憶部材２０Ｈを冷却する冷却機構７０Ｈを備えている。
複数の形状記憶部材２０Ｈは、たとえば、円周上に配置されている。形状記憶部材２０Ｈの諸特性は、第一実施形態の形状記憶部材２０と同様である。
冷却機構７０Ｈは、形状記憶部材２０Ｈの放熱を促進する熱伝達媒体７２Ｈを有している。熱伝達媒体７２Ｈは中空形状たとえば円筒形状を有している。熱伝達媒体７２Ｈは、複数の形状記憶部材２０Ｈの間の空間を貫いて延びている。熱伝達媒体７２Ｈは、形状記憶部材２０Ｈの長手軸に沿って延在している。
熱伝達媒体７２Ｈは、形状記憶部材２０Ｈよりも高い熱伝導率を有している。
冷却機構７０Ｈはさらに、流体を供給する流体供給源８２Ｈと、流体供給源８２Ｈと熱伝達媒体７２Ｈの内側空間を流体的に接続している流体経路８４Ｈを有している。流体は、たとえば気体または液体であってよい。流体供給源８２Ｈは、たとえばコンプレッサまたはポンプで構成されてよい。
流体供給源８２Ｈから供給される流体は、流体経路８４Ｈを通って、熱伝達媒体７２Ｈの内側空間の中に流れ込み、矢印で示されるように、熱伝達媒体７２Ｈの内側空間を通り抜ける。形状記憶部材２０Ｈの熱の一部は熱伝達媒体７２Ｈに伝わり、熱伝達媒体７２Ｈの熱の一部は、周辺空間に放出され、また、熱伝達媒体７２Ｈの熱の別の一部は、流体に伝わる。
このように、冷却機構７０Ｈは、熱伝達媒体７２Ｈの内側空間に流体を供給することによって形状記憶部材２０Ｈを冷却する。したがって、形状記憶部材２０Ｈの温度は、熱伝達媒体７２Ｈの内側空間に流体が供給されていないときよりも、熱伝達媒体７２Ｈの内側空間に流体が供給されているときの方が、所定温度にまで短時間のうちに低下する。
硬度可変アクチュエータ１０Ｈの硬質状態から軟質状態への切り替えの際、冷却機構７０Ｈによって熱伝達媒体７２Ｈの内側空間に流体が供給されることによって、軟質状態に移り変わるまでの時間が短縮される。

Claims (7)

  1. 一端と他端を有し、加熱されることで硬度が高まる形状記憶部材と、
    前記形状記憶部材の長手軸に沿って前記形状記憶部材の外周を囲うように配置され、電流の供給を受けて発熱して前記形状記憶部材を加熱する加熱部材と、
    前記加熱部材の長手軸に沿って前記加熱部材の外周を囲うように配置され、内径が小さくなるように変形することにより前記加熱部材に接触して前記加熱部材を冷却し、前記内径が大きくなるように変形することにより前記加熱部材に対して非接触となる熱伝達媒体とを備えている硬度可変アクチュエータ。
  2. 前記形状記憶部材は細長く、前記熱伝達媒体は、前記形状記憶部材の長手軸に沿って延在している、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
  3. 前記熱伝達媒体は、メッシュ状に形作られている、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
  4. 前記熱伝達媒体は、温度変化に応じて変形する形状記憶材料で作られており、温度変化に応じて前記形状記憶部材と前記加熱部材の少なくとも一方に対する接触／非接触の状態が切り替わる、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
  5. 前記形状記憶部材の複数の部分の放熱をそれぞれ促進する複数の熱伝達媒体を備え、前記複数の熱伝達媒体は、前記形状記憶部材の複数の部分をそれぞれ独立に冷却する、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
  6. 内視鏡の挿入部の外装部材内に装着され、前記熱伝達媒体は、流体を案内する前記内視鏡の管路部材で構成されている、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
  7. 前記熱伝達媒体は、前記加熱部材よりも高い熱伝導率を有している、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
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