JP6741238B2

JP6741238B2 - アクチュエータを改良するアクチュエータ及び方法

Info

Publication number: JP6741238B2
Application number: JP2015558519A
Authority: JP
Inventors: ハッリラ，ハッリ; ハーヤ，ユハ; リトヴァネン，アンティ
Original assignee: シュノステオサケユキチュア
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2034-02-18
Also published as: WO2014128349A1; US20150377222A1; EP2959163A1; US20150369223A1; EP2959163B1; JP2016526930A; US9989040B2; TR201811289T4; FI20135175A; FI124970B; CN105164413B; ES2682927T3; PL2959163T3; CN105164413A; US9995287B2

Description

［公的資金の通知］
本文書は、フィンランド技術庁（Tekes（The Finnish Funding Agency for Technology and Innovation））、アールト大学（Aalto University）及びオートン財団（Orton Foundation）によって資金援助された研究からの結果を含み得る。

本発明は、形状記憶合金に基づくアクチュエータの構造及び使用に関する。

形状記憶合金又は磁気歪み材料の形状変化を利用するアクチュエータは、公開された特許出願である国際公開第２００９／１１５６４５Ａ１号及び国際公開第２０１１／１４８０４７Ａ１号から知られている。

国際公開第２００９／１１５６４５Ａ１号国際公開第２０１１／１４８０４７Ａ１号

一つの目的は、形状記憶合金の形状変化を利用するアクチュエータを改良することである。

この目的は、請求項１によるアクチュエータ及び請求項７による方法によって満たされることができる。

従属請求項は、本アクチュエータの様々な有利な態様を記述する。
［本発明の利点］
本発明によるアクチュエータは、少なくとも一つの、形状記憶合金に基づく筐体内の変換部（converter）、及び少なくとも一つの予荷重バネ（preload spring）を有する。アクチュエータは、少なくとも一つの可動部材の動きを、
・少なくとも一つの変換部が、少なくとも一つの変換部を収縮させる、熱的に誘導される相転移（phase transition）をすること（undergoing）によって、第一の方向に、及び
・少なくとも一つの変換部が、変換部を延長させる、温度変化によって引き起こされ、予荷重バネによって強化される相転移をすることによって、第一の方向とは反対の第二の方向に、
引き起こすように構成される。

さらに、アクチュエータは、予荷重バネによって引き起こされる少なくとも一つの変換部の歪み（strain）を制限するように構成された、少なくとも一つの制限部（restrictor）を有する。アクチュエータにおいて、初期状態にある少なくとも一つの予荷重バネは、予荷重力によって予め荷重され、静止状態にある少なくとも一つの変換部に張力（tensile force）を引き起こすように構成され、その張力は、少なくとも一つの変換部の緊張から結果として生じる張力が、相移行中に少なくとも一つの予荷重バネによって変換部に加えられる力よりも小さいように、少なくとも一つの制限部によって限定される。

本発明の更なる態様によれば、アクチュエータは、少なくとも一つの可動部材の動き（motion）を引き起こすように構成され、筐体内に位置する、少なくとも一つの形状記憶合金に基づく変換部を有する。さらに、アクチュエータは、少なくとも一つの形状記憶合金に基づく変換部に予め荷重を加えるように構成された、少なくとも一つの予荷重バネを有する。改良は、予荷重バネによって引き起こされる、少なくとも一つの変換部の歪みを制限するように構成された、少なくとも一つの制限部を含む。

示唆されるようなアクチュエータを使って、第二の方向でのその運動の間に可動部材によって加えられることができる力は、予荷重を全く有しないアクチュエータによって得ることが可能な力と比較して、有意に増大させられることができる。より正確には、我々のアクチュエータを使って、第二の方向での運動の間に、可動部材によって加えられることができる力は、もはや少なくとも一つの形状記憶合金に基づく変換部の力ではなく、少なくとも一つの予荷重バネの力である。

我々のアクチュエータを使って得ることが可能であり得る一つの利点は、図６に示される我々の結果によって示唆されるように、仕事をする位相の間にアクチュエータによって引き起こされ得る運動の量（amount of movement）が、少なくとも一つの形状記憶合金に基づく変換部及び予荷重バネが利用されるが、予荷重バネによって加えられる予荷重力の制限部が利用されないアクチュエータにおけるよりも、より一層予測可能にされることができることである。これは、Azfal Khanらによって、彼らのポスターにおいて提案される１自由度の配置システムと比較して、はるかに単純な構造を可能にする。Azfal KhanらのポスターSHAPE MEMORY ALLOY WIRES FOR ACTUATING POSITIONING SYSTEMS WITH ELASTIC BEARINGSは、執筆時点において、以下で電気的に入手可能である“http://www. aspe.net/publications/Annual 2005/POSTERS/2EQUIP/3DTE ST/1815. PDF”。

特定の使途のために潜在的に非常に適切であると我々が考える一つの更なる利点は、我々のアクチュエータは機能停止の前のより多くのサイクルのための能力があり得ることである。制限部の主な目的は、そのような高い予荷重力が少なくとも一つの形状記憶合金に基づく変換部を損傷することを回避することである。

アクチュエータが、少なくとも一つの予荷重バネによって加えられる力を変換部に伝えるための、少なくとも一つの予荷重圧縮緊張転換コネクタ（compression-to-tension transformator connector）を更に有する場合は、アクチュエータの構成は比較的単純な機械的構造によって実行されることができる。

アクチュエータにおいて、少なくとも一つの変換部が、形状記憶合金で作られるか又は構成される、少なくとも一束の個別のワイヤ又はロッドを有し、束において個別のワイヤが、直列又は並列に互いに電気的に接続され且つ機械的に平行に配列される場合は、我々は、少なくとも一つの変換部からその相転移によって得られる収縮力が十分に高いことを確かにすることができる。なぜなら、ワイヤ又はロッドを平行に配列することは、各個別のワイヤ又はロッドの収縮力を一緒に合計するからである。任意的に、一束よりも多い束が存在する場合に、束は直列に互いに電気的に接続されてもよい。このようにして、我々は、例えばアクチュエータの曲がりに結果し得る不均一な変形によってアクチュエータを損傷することを回避するために、束内の全てのワイヤ又はロッドの加熱が、同時に実行されることを確かにすることができる。加えて、束は、力を増大させるため又は運動の所望の形を達成するために、好ましくは機械的に並列に接続されてもよい。

アクチュエータが無線で切り替え可能なバッテリーから、又は少なくとも一つの誘導コイルを通じて、アクチュエータ内の電力供給源から受けられた電気エネルギーを束に供給するために束に電気的に接続される少なくとも二つのコネクタを更に有する場合は、アクチュエータは、無線で使用されることができる。これは、アクチュエータが、数日、数週間又は更に数か月の治療のために患者体内に組み込まれる整形外科的な治療装置のアクチュエータとして設計される場合のようなアクチュエータの使用状況において特に重要である。なぜなら、無線で使用可能であるおかげで、アクチュエータに無線でエネルギーが供給されることができ、したがって、治療の間患者が開いた傷口を持つ必要性が除かれ得る。

少なくとも一束のワイヤ又はロッドを有するアクチュエータにおいて、束の個別のワイヤ間の電気的及び機械的な接続が、少なくとも一つの接続ユニット内で実施され、制限部が、接続ユニット又は接続部の、少なくとも一つの予荷重バネの仕事方向での、力伝達部（force transmission）に向かう運動を制限することによって束の張力を制限するように構成される場合は、少なくとも一つの接続ユニットは、少なくとも一つの変換部に張力として働くより低い力への予荷重バネのより高い予荷重ストレスを削減するために、差異の多く又は更に全てを吸収するために使用されることができる。

アクチュエータにおいて、予荷重バネが、変換部の収縮が可動部材を引っ張り、予荷重バネを圧縮するように、変換部の周りに配置されている場合は、アクチュエータは、より小さく作られることができる。これに加えて又は一つの代替として、予荷重バネと変換部との互いに対する相対空間位置が、アクチュエータの動作の間事実上変更されないままであることが、比較的単純な方法で確かにされることができる。

アクチュエータの筐体が、生体適合性材料に包まれるか又は生体適合性材料からなる場合は、アクチュエータは、体液又は身体組織と接触状態になり得る医療器具又は類似のものの中のアクチュエータとして使用されることができる。

好ましくは、アクチュエータは、可動部材の往復運動を一方向の運動に転換する転換部（transformer）に接合される。このようにして、アクチュエータは、アクチュエータの運動を、（伸長運動若しくは外側への運動によって）伸延運動（distracting movement）に又は（短縮運動又は外側への運動によって）収縮運動に変換するための装置のアクチュエータとして使用されることができる。伸延運動又は収縮運動を生み出す装置は、医療の分野、特に整形外科の分野において広く使用される。

好ましくは、形状記憶合金に基づく変換部は、一つ以上のＮｉＴｉ要素であるか又は一つ以上のＮｉＴｉ要素を有する。特に有利には、予荷重力によっていくつか又は全てのＮｉＴｉ要素に課される（imposed）ストレスは、作動中２５０−４５０ＭＰａの範囲であり、そのマルテンサイト状態のＮｉＴｉ要素上に引き起こされる伸張ストレスは、２０−９０ＭＰａである。このようにして、我々は、アクチュエータによって生み出されることができる力は、多くの実用的な目的のために十分に高いこと確かにすることができる。実用的な目的は、特には整形外科の分野、特に骨伸延又は脊柱側弯症治療装置であり、例えば下顎骨、中手骨、中足骨、頭蓋冠、顔中心部、長管骨又はその他の骨に関連して使用される装置であるが、これらに限定されない。提示された範囲の予荷重力及び伸張ストレス内では、ＮｉＴｉ要素の歪みは、高確率でより良く予測可能である。加えて、アクチュエータは、延長された寿命を有し得る。すなわち、それは、荷重下でより多くのサイクルを経験するように使用されることができる。

好ましくは、アクチュエータは、骨に対して固定又は連結される移植可能な治療装置内のアクチュエータとしての使用に適している。

アクチュエータは、特に、筐体内で互いに隣り合って組み立てられた複数の（すなわち、少なくとも二つの）アクチュエータを有してもよい。この種類の構成は、脊柱側弯症治療装置又は内部骨伸延装置のために特に適する。

代替的に、アクチュエータは、軸の周りに配置される複数の変換部を有してもよい。この種類の構成は、内部骨伸延装置の骨伸延アクチュエータのために特に適する。

本発明による他のアクチュエータは、少なくとも一つの形状記憶合金に基づく筐体内の変換部及び少なくとも一つの予荷重バネを有するアクチュエータを有する。アクチュエータは、少なくとも一つの可動部材の動きを、
・少なくとも一つの変換部が、少なくとも一つの変換部を収縮させる、熱的に誘導される相転移をすることによって、第一の方向に、及び
・少なくとも一つの変換部が、変換部を延長させる、温度変化によって引き起こされ、予荷重バネによって強化される相転移をすることによって、第一の方向とは反対の第二の方向に、
引き起こすように構成される。

さらに、アクチュエータは、可動部材及びバネに接続するロッドを更に有する。バネは、バネ圧縮ロッドの周りに位置する圧縮バネスタックであってもよい。バネはまた、ロッドの端部に接続する引張りバネであってもよい。アクチュエータにおいて、ロッドは、固定部が追加可能であるように、変換部のための最適なプレストレスまで引っ張られる。追加された固定部は、最適なプレストレスを保持する。

先のアクチュエータに関するものと同じ実施形態が、この他のアクチュエータのために利用されることができる。

以下に、本発明のアクチュエータは、添付の図１乃至２８に示される複数の実施例を参照することにより詳細に記述される。
提示される試験システムに基づくアクチュエータの構想を示す。アクチュエータの理論上のストレス−歪み挙動（strain behaviour）を示す。試験システム及び使用されるサンプルの概略図である。図４（ａ）及び（ｂ）は試験システム内のＮｉＴｉワイヤのストレス−歪み挙動を示す。図４（ａ）は３０ＭＰａでの試験を示し、図４（ｂ）は６９３０ＭＰａでの試験を示す。各曲線上のより高いストレスレベルは加熱中に記録され、より低いレベルは冷却中に記録される。６９ＭＰａのプレストレス及び２５０ＭＰａのストレスレベルで作動中のＮｉＴｉの歪み挙動を示す。実線は試験の作動サイクル（actuation cycles）の平均であり、点線は試験の標準偏差を表す。３００ＭＰａの荷重下でサイクル数に対して歪みを示す。図７（ａ）及び（ｂ）は、複数の異なる荷重条件下でＮｉＴｉ要素の歪み挙動を示す。図７（ａ）は３０ＭＰａのプレストレス下での性能を示し、図７（ｂ）は６９ＭＰａのプレストレス下での性能を示す。試験されるストレス−プレストレスの組み合わせの全てについて、図８（ａ）には、達成される正味応力（正味のストレス）が、達成される歪みの関数として示され、図８（ｂ）には、達成される正味応力が、達成される疲労寿命（fatigue life）の関数として示される。黒色の記号は６９ＭＰａのプレストレスを示し、中抜きの（open）記号は３０ＭＰａのプレストレスを表す。提示されるアクチュエータの第二の実施形態の概略図である。図１に提示されるアクチュエータの第一の実施形態の概略図である。第二の実施形態による第一のアクチュエータの断面図である。第二の実施形態による第二のアクチュエータの断面図である。収縮状態にある、第二の実施形態による第二のアクチュエータの断面図である。図１乃至図１０に示される第一の実施形態によるアクチュエータの断面図である。第二の実施形態によるアクチュエータのサイクルを、アクチュエータの初期位相から、収縮位相への第一の方向の運動を通じ、そして初期位相に戻る第二の方向の運動を通じて示す。第二の実施形態によるアクチュエータのサイクルを、アクチュエータの初期位相から、収縮位相への第一の方向の運動を通じ、そして初期位相に戻る第二の方向の運動を通じて示す。第二の実施形態によるアクチュエータのサイクルを、アクチュエータの初期位相から、収縮位相への第一の方向の運動を通じ、そして初期位相に戻る第二の方向の運動を通じて示す。第三の実施形態によるアクチュエータの特定のコンポーネントを示し、第三の実施形態は、筐体内で互いに隣り合って組み立てられた少なくとも二つのアクチュエータを有するアクチュエータである。第四の実施形態によるアクチュエータの特定のコンポーネントを示し、第四の実施形態は、軸の周りに配置された多数の変換部を有するアクチュエータである。骨伸延アクチュエータを示す。骨伸延アクチュエータのＡ−Ａ断面図である。図２３に示されるような骨延展アクチュエータのバネスタック端部の拡大図Ｃである。骨延展アクチュエータを示す。骨延展アクチュエータを示す。図２４に示される位置でのＤ−Ｄ断面図及びＥ−Ｅ断面図を示す。アクチュエータの一部分を示す。図２７（ａ）は、アクチュエータの全体図を示す。図２７（ｂ）及び（ｃ）は、図２７（ａ）のアクチュエータの重大な点の断面図を示す。アクチュエータ部品の位置を示す。同一の参照番号は、全ての図において同一の技術的特徴を参照する。

１．序論
発明者らは、予測可能な出力性能を生み出す形状記憶合金（shape memory alloy，ＳＭＡ）アクチュエータを発明し、それを試験した。

狭い空間の制限を伴うＳＭＡアクチュエータのいくつかの応用領域が存在する。そこでは、センサを利用することによるアクチュエータの制御は、実現することが難しい。

アクチュエータ構想のための試験システムは、異なるプレストレスを伴う定荷重に対するＮｉＴｉの性能評価を可能にした。商業的に入手可能なＮｉＴｉ要素、Flexinol（登録商標）（Dynalloy, Inc.の商標）ワイヤは、二つの異なるプレストレス値３０ＭＰａ及び６９ＭＰａで、２５０、３００、３５０及び４００ＭＰａの高定荷重レベルに対して、本システムで試験された。これらの条件下でのＮｉＴｉワイヤの歪み出力及び疲労寿命が測定された。ストレスレベルを上げることは、予想されるように疲労寿命を低下させることが分かった。加えて、プレストレスを３０ＭＰａから６９ＭＰａに上げることは、全てのストレスレベルで歪み出力を改善した。発明者らは、異なるストレス−プレストレスの組み合わせは、その材料から同じ正味の力出力につながり得るが、それらの最大歪み出力及び疲労寿命は異なることを発見した。その結果によれば、アクチュエータ構想は、予測可能な出力性能を備えて実行可能であり、実現されることができる。

形状記憶合金は幅広い種類の用途に使用され、その用途は医療装置及びインプラント（Aalsma 1997、Ryhaenen 1999）から航空宇宙用途（Chau 2006）及びロボット工学（Kheirikhah 2011）へと多岐にわたる。これらの用途の多くは、それらの優れた機械的及び形状記憶特性のために、２元（バイナリ）のニッケル−チタニウム合金を利用する。概して、典型的なアクチュエータ用途において、ニッケル−チタニウム（ＮｉＴｉ）要素は数十万サイクルの間持つように設計され、同様にストレスレベルを２００ＭＰａ以下に制限する（Dynalloy 2012、Mertmann 2009）。

Fumagalliら（2009）は、ＳＭＡアクチュエータ用途において使用される共通のリセット機構を提示した。これらのリセット機構の全てにおいて、ＮｉＴｉ要素は、外部荷重に対して直接的に働く。類似する設計が他の者によって提案されてきた（Aalsma 1998、Elwaleed 2007、Kim 2008）。しかしながら、ＮｉＴｉの歪み及び疲労寿命の性能は、それに課されるストレスに大きく依存することが示されてきた（Lagoudas 2009、Mammano及びDragoni 2012、Bertacchini 2009）。これは、予測不可能なアクチュエータ挙動につながり、正確な制御は、センサ及びフィードバックループを要求する。

ＮｉＴｉ合金は、それらの確立された生体適合性（Ryhaenen 1999、Shabalovskaya 2002）及び高い電力密度（Reynaerts 1998）のために、医療用インプラントにおいて使用するために特に有利である。これらの用途のうちの多くにおいて、例えば整形外科の分野において、大きな力が必要であるが、空間は制限される。空間の制限はまた、作動制御のためのセンサ使用の可能性を制限する。したがって、アクチュエータが様々な荷重条件下で予測可能に振る舞うような方法でアクチュエータが構成されることができれば、大きな利点になるであろう。加えて、整形外科の用途で必要とされる作動サイクルの総計は、通常はかなり少ない。これは、詳細に研究されてこなかった、高いストレスレベルでのＳＭＡｓの利用を可能にする。

形状記憶合金はまた、Dahlgren 2009においても紹介される。その用途において、ＮｉＴｉ要素は、各パルスによって可動であり、インプラント内でそれらの位置を変化させる。これは、ＮｉＴｉ要素に加えられる外部荷重がはっきりと分からず、その要素の位置に応じて変化することを意味する。

加えて、二つの物体を互いに対して移動させるための装置は、Soubeiran 2003において提示される。その用途はバネを利用する。作動の数を増加させることによって、バネの圧縮が低下するにつれて、装置の動力は低減される。実際には、これは、装置が動きを取れなくなることにつながるであろう。それは、形状記憶合金又は他のインテリジェント材料を利用することに関する如何なる手がかりも与えない。

ヘルシンキ工科大学（Helsinki University of Technology）2009は、形状記憶合金を紹介するが、その用途は紹介しない。その用途において、バネは磁気歪み材料の予荷重バネのみであり、それは如何なる外部仕事を働かせない。

さらに、オリンパス（登録商標）社の2012年の出版物は、形状記憶合金ワイヤが加熱されたときに収縮し、冷却されたときに伸張するアクチュエータを紹介する。その装置は、中空の部材、可動要素、弾性部材及び絶縁部材から成る。その形状記憶合金ワイヤは、弾性部材と電気的に接触することが防止される。それによって、ＮｉＴｉ要素は、予荷重バネから絶縁される。しかしながら、絶縁部材も荷重を支え、実際には、典型的な材料は十分に強くないので問題を引き起こすであろう。

本文書において、予測可能な歪み及び力出力の生成にＮｉＴｉを利用するアクチュエータ構想が提示される。その構想は、提案されるアクチュエータの荷重条件に類似する荷重条件でＮｉＴｉの挙動をシミュレートする試験システムを使用して評価される。ＮｉＴｉアクチュエータワイヤの性能は、二つの異なるプレストレス値と共に、様々な高ストレスレベル下で評価される。具体的には、マルテンサイト相及びオーステナイト相における歪みの発生（evolution）及び材料の疲労寿命が、研究される。これらの結果は、提案されるアクチュエータ構想を実現するため及びそれを様々なストレスレベルに適するように最適化するために利用されてもよい。

ＮｉＴｉ要素がインプラント内の一つの位置に留まり、それにより、外部荷重が最小化されることができることは、本アクチュエータ構想の更に他の利点である。なぜなら、正確な位置の情報は、荷重を方向付ける、例えばこの領域から離れるように曲げるために使用されることができる。その利点は、荷重の無い小さな絶縁部材を利用することによって、装置の外部仕事を安定化させることによって得られる。

Horstら2013は、組織を収縮されるように適合された少なくとも二つの収縮要素を持つ人工的な収縮構造を含む医療装置を論じる。この出版物のＮｉＴｉ要素は、管状の身体部分を絞るために使用される。この出版物は、ＮｉＴｉ要素の圧縮が複数の装置部品を互いから分岐させるように、ＮｉＴｉ要素の端部を分離することに関して、如何なる手がかりも与えない。

Belson 2013は、内視鏡的な結腸切除術のための器具及び方法を論じる。この出版物は、予荷重バネを利用すること又はその荷重をＮｉＴｉ要素に伝達することについて、如何なる手がかりも与えない。ＮｉＴｉ要素は、装置の内視鏡端部を方向転換させるために使用される。それは、複数の装置部品を互いから分岐させることについて、如何なる手がかりも与えない。

本発明の他のアクチュエータの一つの利点は、複数の装置部品を互いから分離又は分岐させるためにＮｉＴｉ要素が使用され得ることである。

２．材料及び方法
２．１．アクチュエータ構想
一定且つ既知の荷重に対して作動するアクチュエータ１０の概略的な表示が、図１に提示される。アクチュエータは、ＮｉＴｉ要素、バネ及び筐体（例えば、管）を有する。バネは、アクチュエータが生み出すと予期されるストレスレベルまで予め荷重される。ＮｉＴｉ要素は、マルテンサイト相内でのその伸長が所望のプレストレスをそれに対して加えさせるような方法で、管内にぴったりと適合されなければならない。さて、ＮｉＴｉ要素が伸長を開始するときに、それは予め定められたバネ荷重に対して仕事をすることができる。ＮｉＴｉ要素が冷えることを許容されるときに、正味の力出力が生成されると同時に、バネはそれを元の位置に戻す。正味の力出力は、以下のように定義される。

ここで、σ_ｓは、作動するときにバネによってＮｉＴｉに課されるストレスであり、σ_ｐは、マルテンサイト相にあるＮｉＴｉに作用するストレスであり、Ａは、ＮｉＴｉ要素の面積（area）である。

ＮｉＴｉ要素内に所望のプレストレスを生じさせるために要求されるマルテンサイト歪みは、フックの法則を使用することによって決定されることができる。

ここで、ε_Μは、プレストレスを生じさせるために要求される歪みであり、Ｅは、マルテンサイト相にあるＮｉＴｉのヤング率である。アクチュエータの形状記憶歪みは、マルテンサイトの歪み、ε_Μ、及びオーステナイトの歪み、ε_Αから算出される。形状記憶歪みは、以下の通りである。

アクチュエータ１０の理論上のストレス−歪み出力は、図２に示される。アクチュエータ１０が組立てられているときに、マルテンサイト相内の歪みは、方程式（２）（数式２）によって決定される。アクチュエータ１０が作動を開始するときに、ストレスはストレスレベルσ_ｓまで一気に上がる。この時点で、アクチュエータ１０は歪み出力を生成することを開始し、少なくとも一つのＮｉＴｉ要素１１が反対に働く最大のストレスσ_ｍは、予荷重バネ１２の予荷重及びそのバネ係数ｋによって決定される。

ひとたび少なくとも一つのＮｉＴｉ要素１１が冷えることを許容されると、加熱中に予荷重バネ１２に蓄えらえたエネルギーは解放され、歪み及び力がアクチュエータ出力部から生成される。アクチュエータ出力部は、可動部材１３（図１４参照）として構成され、且つ／或いは、可動部材のための開口部１１１３を通って伝達されてもよい。

アクチュエータ１０の一つの利点は、少なくとも一つのＮｉＴｉ要素１１は常に既知の荷重に対して作動することである。選択される予荷重バネ１２によって規定される荷重が越えられない限り、アクチュエータ１０は、予測可能な方式で機能する。しかしながら、少なくとも一つのＮｉＴｉ要素１１に加えられるプレストレスは、アクチュエータ１０内の少なくとも一つのＮｉＴｉ要素１１の取り付けによって決定されるため、マルテンサイト相内の塑性歪みの生成を知ることは重要である。過剰量の塑性歪みが蓄積すると、要素に課されるプレストレスは変化し、性能の変化につながる。

２．２．アクチュエータ構想の評価
アクチュエータ構想の実行可能性を評価するために、試験システム３０は設計及び構築された。使用されたＮｉＴｉワイヤ３０２は、Dynalloy, Incから入手された商用グレードのFlexinol（登録商標）である。ＮｉＴｉワイヤ３０２の名目上の直径は、０．３８１ｍｍであった。ＮｉＴｉワイヤ３０２の端部は、試験システムへの容易な組み付けを可能にするために、ステンレス鋼のバレルクリンプに圧入されている（press-fitted）。複数のクリンプ３０１の間のＮｉＴｉワイヤ３０２の長さは、２０．０±０．１ｍｍに設定された。サンプル３００の概略的な図は、図３の下方部分に示される。

試験システム３０は図３に示される。右側は予荷重バネ１２を示し、予荷重バネ１２は、小さなバネ定数を有し、（好ましくはステンレス鋼の管として実施される）筐体（housing）１４の内側にある。ロッド３１は、図３の左に示されるように予荷重バネ１２を通り抜け、サンプル３００に付着する。ロッド３１の他端は鋼製のブロック１７に取り付けられる。ブロック１７は筐体１４の左側に対してバネを圧縮する。サンプル３００を試験システム３０に取り付ける前に、予荷重バネ１２は、材料試験機器（FlexTest（登録商標）制御部及びMTS TestSuite（商標） Multi Purpose Elite softwareを備えたMTS（登録商標） 858 Table Top System、全てMTS systems社の商標）を使用することによって、所望のレベルまで締め付けられた。所望のストレスレベルで、予荷重バネ１２をその荷重で保持するために、予荷重バネ１２係止クランプ３４は適切な位置で締め付けられる。このように、ＮｉＴｉワイヤ３０２は、提案されるアクチュエータ構想のように、それが作動を開始するや否や全ストレスを受ける。

バネの予荷重の後に、ＮｉＴｉワイヤ３０２は、予荷重バネ１２圧縮ロッド３０１に取り付けられた。この時点で、図３の左に示されるサンプル３００保持ブロック３９は、材料試験機のロードセル接続部３２に取り付けられ、ロードセル値はゼロに設定された。ロードセルのゼロ点調整の後に、サンプル３００はサンプル保持ブロック３９に取り付けられ、伸縮計３７は歪みを記録するために適切な位置にしっかりと固定された。

電流は、ＮｉＴｉワイヤ３０２を抵抗加熱するために使用された。電流の起動より先に、ＮｉＴｉワイヤ３０２は、ＮｉＴｉワイヤ３０２を引っ張るように、流体圧機械への接続部３５を介して材料試験機の流体圧アクチュエータを使用することによって、所望のプレストレス値までプレストレスを与えられた。所望のプレストレス値が達成された後に、電流が加えられてＮｉＴｉワイヤ３０２が予荷重バネ１２の荷重に対して作動し始める間に、流体圧アクチュエータは変位制御モードで適切な位置に保持される。

作動は、ＮｉＴｉワイヤ３０２に、２．２５秒間から５秒間の継続時間に渡って２．２５Ａから３．５Ａの電流を供給することによって達成された。これは、ソリッドステートリレーを通じてＮｉＴｉワイヤ３０２に結合された電流制限電圧制御モードで電力供給源を使用して達成された。このリレーの動作は、材料試験機のために構築されたプログラムによって制御された。最適な電流及び作動時間は、オーステナイト相への可能な限り完全な転換を達成するように選択された。これは、ＮｉＴｉワイヤ３０２の歪み挙動を観測することによってなされた。歪みが飽和状態（saturation）に向かって平準化を開始するとすぐに、電流はスイッチを切られた。ＮｉＴｉワイヤ３０２の温度の直接的な測定は、行われなかった。作動の後に、サンプル３００は、強制空気対流を使用することによって冷却された。このプレストレス−作動−冷却のサイクルは、サンプルが機能を失うまで繰り返された。

完全な力及び歪みのデータは、１０サイクル毎から、１０２．４Ｈｚで記録された。力及び歪みの最大値及び最小値は、残りのサイクルから収集された。歪みは、形状記憶効果と比較した場合のそれらの限定的な影響のために、ストレスによって又は熱膨張によって引き起こされた歪みのために補正されなかった。

３．結果
図４は、異なるストレス及びプレストレスレベルでのＮｉＴｉワイヤ３０２サンプルについてのストレス−歪み曲線を示す。試験セットアップは望ましく挙動し、ＮｉＴｉワイヤ３０２サンプルは作動の開始のほぼ直後に全ストレスを受けることが明らかである。しかしながら、ストレスの高まりは、図２に示される理論的な性能に示されるように瞬間的ではない。これは、高いバネ係数に関わらず、バネ係止クランプ３４もまたバネとして働くことによる。予期されるように、数式４に記述されたように、作動中ストレスレベルは完全に一定ではなく、荷重バネのバネ定数に応じてむしろ上昇する。図４（ａ）内の上端のストレス−歪みループの内側の領域は、試験システム内にいくらかの摩擦が存在することを示し、その摩擦は加熱中及び冷却中のストレスレベルを若干異なるものにする。

しかしながら、行われた試験の大半において、試験システム自体によって引き起こされる摩擦は最小限である。結果は、より低いストレスレベルは、概して、より高い達成される歪みにつながることを示す。全てのストレスレベルにおいて、ＮｉＴｉワイヤ３０２は６９ＭＰａのプレストレスにおいて、より高い歪みを達成することが可能であった。

図５は、作動下のＮｉＴｉワイヤ３０２の典型的な歪み挙動を示す。図５は、複数の作動サイクルの平均及び９５％信頼水準での標準偏差を示す。標準偏差の幅は、材料がサイクルを循環するにつれて減退する（diminishing）歪みによる。

歪みは、作動の初期において急速に蓄積するが、完全な転換が接近されるときに減速する。２．５秒の作動のうちの最初の０．７秒の間に最大歪みの８０％が達成される。続く１．８秒（又は７２％）の作動時間は、追加的な２０％の歪みを引き起こすのみである。したがって、最大歪みのうちのいくらかを犠牲にすることによって、材料のエネルギー効率は改善されることができる。材料が部分的にのみ転換される場合にＳＭＡ合金の寿命が増大することも、複数の研究において確かめられている（Lagoudasら2009）。

図６は、３００ＭＰａのストレスレベル下でサイクル数の関数としてサンプルの歪みを示す。名目上のプレストレスを３０ＭＰａから６９ＭＰａに増大させることは、歪みを有意に増大させる。類似した挙動が試験されたストレスレベルの全てにおいて観察可能であった。しかしながら、プレストレスを増大させることは、機能停止の前のサイクルの最大量を低下させるように見える。繰り返しの試験実行はこの検討においては行われなかったので、この挙動を確かめるためにはより多くの試験が必要とされるであろう。正味の（net）力出力は、力のより大きな割合がプレストレスに打ち勝つために要求されるという事実により、より高いプレストレスではより小さい。

図７（ａ）及び（ｂ）は、プレストレスを一定に保つ間に、材料が対抗して仕事をしなければならないストレスレベルを増大させることの影響を示す。ＮｉＴｉワイヤ３０２が対抗して仕事をしなければならないストレスレベルを増大させることは、達成される形状記憶歪みを減少させるように見える。これは、図７（ｂ）においてより明確に一目瞭然である。実際には、図７（ｂ）に示される試験において、２５０ＭＰａのストレスは、３１０ＭＰａでの試験よりも小さな歪みを与えた。機能停止の前に材料が示すことができる作動サイクルの総計もまた、増大するストレスと共に減少するように見える。６９ＭＰａのプレストレスでの３５０ＭＰａの試験は、この傾向とは異なる。増大するストレスがどのように疲労寿命に影響するかを結論するには、更なる試験が必要とされる。

最大の達成可能な歪みが、第一の作動サイクル中に速やかに下落することは明らかである。この影響は、より高いストレスレベルにおいてより明白である。しかしながら、１０００サイクルと２０００サイクルの間で、達成可能な歪みは安定化し、歪み能力が失われる速度は低下する。この点以降、材料は、安定であるがゆっくりと低下する歪みを、機能停止まで示す。

表１は、本研究の全ての結果を要約する。表１内の値は、図７において符号によって印を付けられた点から算出された。各曲線上の第一の点及び第二の点は、作動サイクルの初期における形状記憶歪み下落の計算のために使用された点を表す。第三の点及び第四の点は、安定した領域における歪み、ｄε_ｓｍｅ、の下落の計算のために使用される。そして、最後の点はまた、機能停止における歪みである。ここでも同様に、材料が耐えることができるサイクルの数は、ストレスレベルが増大するにつれて減少するように見える。プレストレスを増大させることは、類似した影響を有する。同様に、作動サイクルの初期における、歪みの速やかな低下及びより高いストレスレベルでのその増大が、理解されることができる。全てのストレスレベルにおいて、３０ＭＰａから６９ＭＰａにする場合に、歪みは増大する。安定な歪み領域を２０００サイクルで達成した後に歪みが失われる比率は、無視できるほどであり、材料の挙動は機能停止まで予測可能なままである。

表１：NiTiサンプルの性能データ

図８（ａ）は、異なるストレス及びプレストレスレベルについて、達成される歪み及び正味のストレスを、達成される歪みの関数として示す。正味の出力ストレスと歪みとの間の相関関係は、直線的ではない。それは、正味の出力に結果するストレスとプレストレスの組み合わせに大きく依存する。例えば、３２０ＭＰａの大よその正味の出力は、行われた試験から二つの組み合わせを使用することによって達成されることができる。２７ＭＰａのプレストレス及び３４９ＭＰａのストレスレベルを使用する場合、生み出される歪みは２．７％である。ほぼ同じ出力ストレスは、６７ＭＰａのプレストレス及び３７９ＭＰａのストレスレベルを使って達成されることができるが、この場合において、３％の歪みが生み出される。

正しい組み合わせの効果は、おおよそ２００ＭＰａの正味のストレス出力を生み出す二つの組み合わせを比較した場合により一層明白である。より低いプレストレスを伴う組み合わせは、３％以下の歪みを生じさせる。一方では、６９ＭＰａのプレストレスを伴う組み合わせは、ほぼ４％の歪みを生じさせる。次に、再び２７０ＭＰａの正味のストレス出力においては、より低いプレストレスを伴う組み合わせとより高いプレストレスを伴う組み合わせとの間で、有意な差異は作り出され得ない。一方で、図８（ｂ）は、より高いストレス−プレストレスの組み合わせはより低い疲労寿命につながることを示す。

４．考察
本研究において提示された試験システムは、独立変数としてプレストレスの調節を可能にすると同時に、一定の荷重下でＮｉＴｉワイヤ３０２の性能を試験するための実行可能な方法を描写する。したがって、試験システム３０は、様々な可能な構成の下で前に提案されたアクチュエータ構想の性能をシミュレートするために使用されることができる。試験システム３０への更なる改良は、荷重バネ組立品の摩擦の生成を最小化するためになされてもよい。全てのサンプル３００は、ＮｉＴｉワイヤ３０２の自由長における割れ目（fracture）を伴って機能停止した（failed）。そのことは、サンプル固定は意図されたように働き、クリンプ部位で過剰なストレスは生成されなかったことを示す。

試験システム３０を使って得られる結果は、一定荷重下でＮｉＴｉの疲労寿命を評価する公表された研究と比較されることができる。Lagoudasら（2009）によって研究された合金は２元（バイナリ）のＮｉＴｉの代わりにＮｉＴｉＣｕであったが、比較はなされ得る。それらの結果は、材料がサイクル処理される間の類似した歪みの発生を示した。特に、サイクリングの初期での歪みの急な落ち込みは、明白である。それらの結果はまた、増大するストレスレベルはサンプルの疲労寿命を減らすことにつながることを示した。

様々な荷重条件下でＮｉＴｉの機能性疲労を研究したMammano及びDragoni（2012）のものと結果を比較すると、それらの一定のストレスサイクリング試験は、試験の初期において急な低下を示さない。しかしながら、それらの結果は、ＮｉＴｉ要素が受けるストレスを増大させることは、サンプルの疲労寿命を低下させることを確かめる。２００ＭＰａのストレスレベルで、Mammano及びDragoniは３，５０９−４，９４０サイクルの疲労寿命を観察した。その結果は、４００ＭＰａのストレスレベルでの本実施形態の結果に近い。しかしながら、それらの場合において、２００ＭＰａの全ストレスは材料へのプレストレスとしても機能しており、本実施形態の研究においてプレストレスは別に調節され歌。これは、ＮｉＴｉが受けるプレストレスを増大させることは、疲労寿命を低下させるという仮説を支持する。

本研究の結果は、以下により詳細に論じられるようなアクチュエータを実現するためのいくつかの暗示を有する。加熱効率が重要な用途例えば医療用移植装置においては、部分的な転換の使用が好ましい。完全な転換が達成されるまで材料を加熱することは、非効率的である。なぜなら、歪みの蓄積は、完全な転換の点に接近するときに大幅に遅くなるからである。これは、最大歪みの小さな変化を達成する間の過剰な熱の生成につながる。前に指摘されたように、部分的な転換はまた、材料の疲労寿命を増大させることが分かっている。

新しいＮｉＴｉ要素への作動サイクルの初期の間の歪みの急速な低下は、それが考慮されない限り、アクチュエータ挙動の不十分な予測可能性につながるであろう。アクチュエータを構築するとき、特に高いストレスレベルが利用される場合は、使用前にサイクル処理によって要素を熟成させることが有益であろう。最初の達成される歪みの急な低下の後に、材料は予測可能に振る舞う。塑性マルテンサイト歪みの蓄積はＮｉＴｉが受けるプレストレスの変化につながるものなので、これは、本明細書において提示される構想によるアクチュエータの構成において特に重要である。この塑性歪みの蓄積が十分に大きい場合は、アクチュエータは働かなくなる。

ＮｉＴｉからの同じ力出力を達成し得るプレストレスとストレスレベルとの多くの組み合わせが存在する。組み合わせの選択が達成される性能に影響を与えることは明らかである。６９ＭＰａ及び３０ＭＰａの試験されたプレストレス値から、６９ＭＰａのプレストレスは、全てのストレスレベルにおいてより高い歪み出力につながった。より高いストレス及びプレストレスを利用することによって、ある特定の出力の力レベルでより高い歪みに到達することが可能である。しかしながら、同時に、材料の最大サイクル寿命は犠牲にされなければならない。

異なる用途のための最適なストレス−プレストレスの組み合わせを発見するためには、異なるストレス及びプレストレス値でＮｉＴｉの性能を試験する、更なる研究が必要であるかも知れない。

５．結論
我々は、独立変数としてのプレストレスの自由な調節と共に、一定ストレス下でのＮｉＴｉワイヤ３０２の試験を可能にする試験システム３０を実現した。次いで、我々は試験システム３０を使用して、３０ＭＰａ及び６９ＭＰａの二つの異なるプレストレス値で、２５０ＭＰａから４００ＭＰａの高いストレスレベル下でＮｉＴｉワイヤ３０２の性能を研究した。その結果から、我々は、６９ＭＰａのプレストレスは、３０ＭＰａのプレストレスと比較して、全てのストレスレベルにおいてより高い歪みにつながると結論する。加えて、我々は、最大歪みのうちのいくらかが犠牲にされることができれば、部分的な転換を利用することは材料のエネルギー効率を向上させ得ることを示すことができる。我々はまた、材料から所定の（predefined）力出力を生成するために、いくつかの異なるストレス−プレストレスの組み合わせが使用され得ることを発見した。組み合わせの選択は、達成される最大歪み及び疲労寿命についての広範囲の暗示を有する。異なる歪み及び疲労寿命の要求のための最適な組み合わせを発見するために、更なる研究が実行されてもよい。

提示されたアクチュエータ構想は、高い力出力及び予測可能な歪み出力が必要とされる多くの用途において有益である。試験結果は、ＮｉＴｉは、構想が記述する方法で利用され得ることを示す。しかしながら、構想を完全に評価するために、アクチュエータは実現され、別に試験されるべきである。これは主に、本研究において使用された試験システムとは違って、提案される構想は試験中にプレストレスの調節を可能にしないという事実による。

本アクチュエータの例示的な実施形態
１）第一の実施形態（図１，１０及び１４）
断面図で図１及び図１４及び概略的に図１０に示された、アクチュエータ１０の特定の詳細は、上記で既に論述されている。その両方の端部にクリンプ１６１，１６２を有するＮｉＴｉ要素１１は、予荷重バネ１２を貫通するように構成される。クリンプ１６１，１６２は、ＮｉＴｉ要素１１の周りで押圧されてもよく、又は、それらは、特に適切な工程によって、例えば旋盤加工（turning）若しくはフライス加工（milling）によって又は適切なチップ除去工程を使用することによって、一体的に形成されてもよい。

予荷重バネ１２は、ストレス−緊張（stress-to-tension）転換部１８として機能する。予荷重バネ１２及びＮｉＴｉ要素１１は、筐体１４内に閉じ込められる（confined）。筐体１４は、アクチュエータ出力部として一つ又は少なくとも一つの可動部材１３を有する。図１においては可動部材１３のための開口部１１１３のみが示され、可動部材１３は図１４における位置にある。

好ましくはFlexinol（登録商標）であるＮｉＴｉ要素１１の代わりに、それは、概して、形状記憶合金の性能を示す材料の一つ以上の変換部によって置き換えられてもよい。ただし、本明細書において我々は、明瞭さのために、前述の例示的なＮｉＴｉ要素１１の助けを借りて本アクチュエータ１０を論じる。

ＮｉＴｉ要素１１は、少なくとも一つの可動部材１３の動き（motion）を、ＮｉＴｉ要素１１が、ＮｉＴｉ要素１１を収縮させる、マルテンサイト相からオーステナイト相への熱的に誘導される相転移をすることによって、第一の方向に、及びＮｉＴｉ要素１１が、ＮｉＴｉ要素１１を延長させる、オーステナイト相からマルテンサイト相への、温度変化によって引き起こされ、予荷重バネ１２によって強化される相転移をすることによって、第一の方向とは反対の第二の方向に、引き起こすように構成される。

アクチュエータ１０の筐体１４は、ＮｉＴｉ要素１１の運動を制限するように構成された制限部として機能することが、理解されなければならない。

初期状態にある少なくとも一つの予荷重バネ１２は、予荷重力（a preloading force）によって予め荷重される。その予荷重力は、作動中に好ましくは２５０から４５０ＭＰａの範囲内（特に３００及び３５０ＭＰａの間の範囲内）にある。そのマルテンサイト相にあるＮｉＴｉ要素１１上に引き起こされる伸張ストレス（tensile stress）は、２０から９０ＭＰａの範囲内（特に６７から７１ＭＰａの間の範囲内）であり、ＮｉＴｉ要素１１の張力から結果として生じる緊張が、予荷重バネ１２の予荷重力よりも小さいように、筐体１４（より一般的には、如何なる制限部構成であっても使用され得る）によって限定される。

２）第二の実施形態（図９，１１，１２，１３及び１５乃至１７）
図９は、我々のアクチュエータの第二の実施形態によるアクチュエータ１１０，１２０の概略図である。

図１１は、第二の実施形態による第一のアクチュエータ１１０の断面図を示し、図１２は、第二の実施形態による第二のアクチュエータ１２０の断面図である。図１３は、更なるアクチュエータ１３０の断面図であり、制限部がバネの運動を限定し且つＮｉＴｉ要素１１の運動を限定しないように、どのように制限部が配置されうるかを示す。

図１５乃至１７は、アクチュエータのサイクルを、アクチュエータ１２０の初期位相から、収縮位相への第一の方向の運動を通じ、そして初期位相に戻る第二の方向の運動を通じて示す。アクチュエータ１１０の運動サイクルは、アクチュエータ１２０の運動サイクルと同じであることが理解されるべきである。

図１１において、我々は、アクチュエータ１１０はＮｉＴｉ要素１１を有し、ＮｉＴｉ要素１１は筐体１４内に閉じ込められることを見る。筐体１４は、第一クリンプ１６１を超えて続くが、筐体１４のその部分は明瞭さを向上するために省略されていることが理解されるべきである。

アクチュエータ１１０は、筐体１４内、ＮｉＴｉ要素１１の周りに、プリテンション管（pre-tensioning tube）１１２を有する。プリテンション管１１２は、阻止ユニット（inhibiting unit）として働く制限部１１１に接続される。

アクチュエータ１１０は、予荷重圧縮緊張転換部（compression-to-tension transformator）として働くように構成される可動部材１３を更に有する。その予荷重圧縮緊張転換部は、予荷重バネ１２の予荷重力をＮｉＴｉ要素１１の張力に転換するように構成される。可動部材１３として、我々は予荷重バネ１２を通って伸びる棒使用した。

図１１及び１２において、我々は、第一の実施形態によるアクチュエータ１０においては、予荷重バネ１２が、予荷重バネ１２の予荷重力をＮｉＴｉ要素１１の張力に転換するように構成されていたのに対して、一方で、アクチュエータ１１０，１２０において、その転換は、予荷重バネ１２及びＮｉＴｉ要素１１のクリンプ１６２に接続する予荷重圧縮緊張転換部（可動部材１３）によって実行されることを理解する。

図１１及び１２において、我々はまた、第一の実施形態によるアクチュエータ１０においては、筐体１４が、ＮｉＴｉ要素１１の伸長を制限し、このように張力によって引き起こされる緊張を制限するように構成されていたのに対して、一方で、アクチュエータ１１０，１２０において、その制限は、中間の壁である制限部１１１によって又は制限部１２１によって実行されることを理解する。

図１３は、アクチュエータ１３０を示す。さて、中間の壁１３１９を制限部として使用することの代わりに、筐体１４の端部が制限部１９として機能する。換言すれば、制限部１９は、それがＮｉＴｉ要素１１の運動ではなく、バネ１２の運動を限定するように配置される。

図１５において、可動部材１３がＮｉＴｉ要素（変換部）１１の一端に接続されており、アクチュエータ１２０がその初期状態で示される。これは、予荷重バネ１２もその初期状態（予荷重状態、すなわち圧縮状態）であることを意味する。

図１６は、ＮｉＴｉ要素１１の第一の相転移の後の、すなわち可動部材１３が第一の方向に引っ張られた後のアクチュエータ１２０を示す。図１５と図１６との間に、ＮｉＴｉ要素１１の相転移が起こっている。すなわち、ＮｉＴｉ要素１１は加熱されており、その加熱は、マルテンサイト相からオーステナイト相への、熱的に誘導される相転移を引き起こし、その相転移はＮｉＴｉ要素１１を収縮させている。

ＮｉＴｉ要素１１は距離Δｋだけ収縮しており、可動部材１３は距離Δｍだけ変位させられており、予荷重バネにさらなる圧縮が荷重されている。通常、Δｋ＝Δｍであるが、これは必須ではない。Δｋ≠Δｍの場合、これは、可動部材１３がさらされ得るアクチュエータ１２０の荷重状況に関係する。

図１７において、アクチュエータ１２０は、図１６に示される状態からその初期状態に戻っており、さらなる圧縮がなくなっている。これは、可動部材１３が、第一の方向とは反対の第二の方向に押されたことを意味する。ＮｉＴｉ要素１１は、オーステナイト相からマルテンサイト相への、温度変化によって引き起こされ、予荷重バネ１２の圧縮が減少する方向への相転移をしており、ＮｉＴｉ要素１１を伸長させている。

我々は、第二の転移において（すなわち、図１６と図１７との間に）可動部材１３を通じてアクチュエータ１２０によってなされる仕事は、荷重条件下、力を加える可動部材１３によってなされたことを理解する。その力は、初期に、効果上は予荷重バネ１２の予荷重力からＮｉＴｉ要素１１の張力を差し引いたものである。転移中に、予荷重力は（各時期でのΔｍに依存して）わずかに低下し、張力もまた（各時期でのΔｋに依存して）わずかに低下する。

予荷重力及び張力を適切に選択することによって、アクチュエータ１０，１１０，１２０からの出力が得られ得る。

しかしながら、我々は、ＮｉＴｉ要素１１は個別に振る舞うことを見出した。また、我々が使用した予荷重バネ１２材料はその弾性において大きな変動を示すようであり、従って我々は、予荷重バネ１２のバネ定数が、我々が連続的に製作を試みたアクチュエータ１０，１１０，１２０の個々のユニットの間でさえ強く変化することを観察した。

そのため、我々は、アクチュエータ１０，１１０，１２０の製作誤差又は材料公差を補償するための方法を発明し、組み立てられたユニット内で製作誤差又は材料誤差が補償可能であるように、我々のアクチュエータ１０，１１０，１２０を改良した。

我々は、製作誤差を均一にするか又は補償するために制限部１２１，１１１を利用することができる。

アクチュエータ１２０内に示されるような制限部１２１は、予荷重バネ１２及び／又はＮｉＴｉ要素１１の特性が測定された後に筐体１４内に組立てられることができる。最も容易には、制限部１２１は、予荷重バネ１２の予荷重力とＮｉＴｉ要素１１の張力との適切な組み合わせを生み出すために適切な距離で筐体内に溶接された溶接ドットによって実施される（implemented）。予荷重力が小さ過ぎる場合は、ドット１２１は基準点からアクチュエータ１２０の端部に近づいて置かれ、予荷重ストレスを増大させる。反対の場合においては、ドットは基準点から反対の方向に置かれる。

組立品１１０は、より一層製作が容易である。阻止ユニットとして実施されることができる板等の制限部１１１は、適切な位置に運ばれ、プリテンション管１１２に取り付けられる。我々は、プリテンション管１１２にネジを供給することができる。制限部１１１がネジを切られていれば、我々は、回転させることによって予荷重ストレス（及び同時に張力）を調節することができる。ネジは、形成−係止（form-locking）機構によって、制限部１１１が適切な位置に保持されることを確かにする。

第二の転移の初期（すなわち、図１６による状況）において可動部材１３が筐体１４内に引込められるように可動部材１３を配置することによって、アクチュエータ１０，１１０，１２０による押す力の発揮を遅延させることが、可能であり得る。転移中に、可動部材１３が筐体から距離Δｌだけ突出する。差異Δｍ−Δｌは、筐体１４の寸法に対する可動部材１３の長さ又は位置を変えることによって、調節されてもよい。

第一及び第二の実施形態によるアクチュエータ１０，１１０，１２０，１３０に共通することは、ＮｉＴｉ要素１１が、可動部材１３の側とは反対の筐体１４の端部からも筐体１４に固定されたか、又は、ＮｉＴｉ要素１１が収縮するときに、可動部材１３の側とは反対の側が実質的に動くことができないように反対側から制限されたことである。

固定又は制限の目的は、ＮｉＴｉ要素１１が収縮するときに、ＮｉＴｉ要素１１が必ず実質的に可動部材１３の側からのみ動くことを確かにすることである。固定は、ＮｉＴｉ要素１１及び／又はクリンプ１６１を筐体１４に溶接すること、又は溶接に対して代替的若しくは追加的に、接着によって、くさび留めによって、圧縮によって又は如何なる他の適切な手段によっても実行されることができる。制限は、固定に加えて又は固定の代わりに実施されてもよく、例えば、制限部１８３によって実行されることができる。

第一及び第二の実施形態において、一つのＮｉＴｉ要素１１を使用することの代わりに、複数のＮｉＴｉ要素の束もまた使用されることができる。そのとき、クリンプ１６１，１６２は、最も好ましくは、接続ユニット１８１８，１８１９内に配置され、その構造は後述される。

３）第三の実施形態（図１８）
図１８は、筐体内で互いに隣り合って組み立てられた二つの個別のアクチュエータを有するアクチュエータ１８０の特定のコンポーネントを示す。概して、個別のアクチュエータの数はまた、二つよりも多くてもよい。

図１８に示されるアクチュエータ１８０は、前述のアクチュエータ１３０を使用することによって実現された。しかしながら、ほんの小さな変更と共に、アクチュエータ１３０は、アクチュエータ１０，１１０，１２０のいずれかと置き換えられることができる。

アクチュエータ１８０は、具体的には脊柱側弯症治療装置のアクチュエータとして使用されてもよい。

一つのＮｉＴｉ要素１１の代わりに、我々は、ここで好ましくは、一以上の任意の数のＮｉＴｉ要素のような、形状記憶合金で作られるか又は構成される、ワイヤ又はロッドの束（bundle）１８１１を有する。実際には、上記の種類のＮｉＴｉ要素１１又は既に論述したような他の選択肢が、その束の中の要素として使用されることができる。

束１８１１内の個別の要素は、互いに電気的に直列又は並列に接続され且つ束１８１１として機械的に平行に配列される。これは、多数のＮｉＴｉ要素１１を有する束が使用される、前に論述された第一及び第二の実施形態の変形において選択されたものと全く同じやり方である。

束１８１１を使って、一つの要素を単独で使うよりもはるかに大きな機械的収縮力が発揮されることができる。本明細書において用いられる“個別の要素（individual element）”は、もちろん、機械的及び電気的の両方で並列の多数のＮｉＴｉワイヤを包含し得る。束１８１１は最も好ましくは電気的に直列に接続され、代替的に、それらは電気的に並列に接続されてもよい。

束１８１１内の複数の要素の間の電気的な接続は、それぞれのクリンプ１６２，１６１内に位置する接続ユニット１８１８，１８１９によって実施される。制限部１２１は、予荷重バネ１２の仕事方向での、接続ユニット１８１８，１８１９の運動を制限することによって、束１８１１の張力を制限するように構成される。制限部１２１は、可動部材１３が個別の制限部１８２の間を延びることができるように、対になってもよい。制限部１８３は、束１８１１を適切な位置に保つ。

アクチュエータ１８０内の個別のアクチュエータ１３０は、最も好ましくは生体適合性材料である交差接続部材１８１を介して、互いに電気的に交差接続される。このようにして、複数の束１８１１は、直列に又は望まれる場合は並列に、互いに電気的に接続されることができる。

加えて、アクチュエータ１８０は、少なくとも二つの接続端子１８６を有する。少なくとも二つの接続端子１８６は、アクチュエータ１８０内の少なくとも一つの誘導コイルによって受けられた電気エネルギーを束１８１１に供給するために、束１８１１に電気的に接続される。そのため、コイル（図１８に示されていない）にエネルギーが与えられたときに、両方の束１８１１内の全ての要素が暖められ、既に説明したように相転移が起こる。

好ましくは、制限部１２１は、可動部材１３が複数の制限部１８２の間に閉じ込められるように、対として実施される。複数のカップ１８４，１８５は、好ましくは、基部１８９９を通じてそれらを有利に接合する一つの部分として実施される。

４）第四の実施形態（図１９−２５）
図１９は、軸の周りに多数の変換部を有するアクチュエータ１９０を示す。本実施形態においても、変換部は、前述のアクチュエータ１３０を使用することによって実現された。しかしながら、ほんの小さな変更と共に、アクチュエータ１３０は、アクチュエータ１０，１１０，１２０のいずれかと置き換えられることができる。

アクチュエータ１９０は、骨伸延アクチュエータのアクチュエータとして、すなわち内部骨伸延装置として、特に有利である。

アクチュエータ１９０は如何なる数の変換部を有してもよく、最も好ましくは２つから８つの上記の変換部が存在する。

複数の束１８１１は、上方及び下方の個別のアクチュエータの束の間の接続は、最も好ましくは生体適合性材料である導電性板２０１３，２０１４及びシリーズコネクタ２０１８，２０１９によって電気的に交差接続されることを除いて、本実施例でも同様に、アクチュエータ１８０を参照して説明されたように交差接続される。

制限部１１１は、好ましくは、可動部材１３が開口部を通じて前後に動くことができるように、中央に少なくとも一つの開口部を有する。

（図１８を参照して既に説明されたような）誘導コイルからの接続ケーブルは、最も好ましくは、ケーブル溝１９９２を介して供給される。ケーブル溝１９９２は、インプラントの外殻１９７に接続されるアクチュエータ１９０の部分に位置してもよい。外殻１９７は、制限部１１１がその一部分であるために、今の実施において要求される。しかしながら、我々は、制限部を動かすための如何なる他の先に実行された方法でこの構造を置き換えてもよい。

アクチュエータ１９０は、力伝達部への接続部１９８を介して、具体的にはネジを介して力伝達部に接続されてもよく、その他端から接続ネジ１９９１を介して接続されてもよい。

図２０，２３及び２４は、骨伸延アクチュエータ１９０を示し、図２１はそのＡ−Ａ断面図を示す。図２２は、骨延展アクチュエータ１９０のバネスタック３部の拡大図Ｃである。図２５は、図２４に示される位置でのＤ−Ｄ断面図及びＥ−Ｅ断面図を示す。

骨伸延アクチュエータ１９０が組み立てられたときに、下方のＮｉＴｉ保持部６は端部ブロック５に対して、それらが互いに電気的に絶縁されるように取り付けられる。端部ブロック５は管であり得る外殻１９７に対して、それらが分離不可能な物体を形成するように、付着する。一つ以上の絶縁部８，９，１０は、下方のＮｉＴｉ保持部６に付着する。絶縁部８，９，１０の機能は、ＮｉＴｉ束１０２，１０３をＮｉＴｉ保持部６から絶縁することである。二つの導電性板２０１３，２０１４は、下方のＮｉＴｉ保持部６と接触する。導電性板２０１３，２０１４の機能は、ＮｉＴｉ束１００，１０１と保持部６との間に電流が流れることができるように、ＮｉＴｉ束１００，１０１を保持部６に接続することである。

ＮｉＴｉ束１０２，１０３は、ＮｉＴｉ束１０２，１０３を受電コイル組立品（receiving coil assembly）２に接続するために使用されるコイルコネクタ２０１１，２０１２に取り付けられる。受電コイル組立品２は、コイル筐体２１、コイルワイヤ２３及びフェライト２２又はその他の外部の磁場に焦点を合わせるために適切な材料を有する。しかしながら、受電コイル組立品２は、これらの部品全てを含むことを必要とせず、ほとんどの基本的な場合でコイルワイヤ２３のみが必要とされる。受電コイル組立品２は、例えばバッテリー及び遠隔制御可能なスイッチと置き換えらえてもよい。

ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３の他端は、上方のＮｉＴｉ保持部７に接続される。ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３の端部の間には、隣接する束の間に電気接続を形成するシリーズコネクタ２０１８，２０１９（例えば、接続板）がある。シリーズコネクタ２０１８，２０１９の下には、この場合でも先と同様に、絶縁部２０１５，２０１６が存在する。絶縁部２０１５，２０１６は、上方のＮｉＴｉ保持部７をＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３から電気的に絶縁する。絶縁部品１７もまた、この目的のために使用される。

電気的な接続は、以下のように実行される。コイルワイヤ２３がコイルコネクタ２０１１に一端から接続する。コイルコネクタ２０１１はＮｉＴｉ束１０３に接続する。ＮｉＴｉ束１０３はシリーズコネクタ２０１９に接続する。シリーズコネクタ２０１９はＮｉＴｉ束１００に接続する。ＮｉＴｉ束１００は導電板２０１３に接続する。導電板２０１３は下方のＮｉＴｉ保持部６に接続する。下方のＮｉＴｉ保持部６は導電板２０１４に接続する。導電板２０１４はＮｉＴｉ束１０１に接続する。ＮｉＴｉ束１０１はシリーズコネクタ２０１８に接続する。シリーズコネクタ２０１８はＮｉＴｉ束１０２に接続する。ＮｉＴｉ束１０２はコイルコネクタ２０１２に接続する。コイルコネクタ２０１２はコイルワイヤ２３の他端に接続し、完全なＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３の直列接続の接続経路が完成する。

上方のＮｉＴｉ保持部７は、剛性構造又は好ましくは形成−係止構造を達成するために、適切な手段、例えばネジ又は溶接を通じてバネガイド４に接続される。下方のＮｉＴｉ保持部７に接続されていないバネガイド４の端部は、外殻１９７に対してバネスタック３を有する。バネスタック３は円盤バネからなってもよく、又はそれは、バネに類似の機能を提供する圧縮バネ又は如何なる他の構造、組立品若しくは材料であってもよい。

骨伸延アクチュエータ１９０を組み立てる際に、ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３が全く緊張をしていないときに、制限部１１１（特に外殻１９７が管又は管状構造として実施される場合に、好ましくは外殻１９７の中間壁として実施される）と上部のＮｉＴｉ保持部７との間には小さな隙間が存在する。バネスタック３を骨伸延アクチュエータ１９０内に配置してバネスタック３を緊張させることによって、ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３が緊張させられたときに、ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３は、フックの法則による緊張の下に入る。緊張なしの状態における隙間の長さは、したがって、骨伸延アクチュエータ１９０が組み立てられるときに各ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３が経験することになるストレス（緊張）の程度を決定する。

バネスタック３が緊張させる荷重が何であるかに関わらず、ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３は、隙間によって規定される程度まで緊張させられるのみであることが、留意されるべきである。したがって、作動の前にＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３が常に最適な緊張（又は少なくともそれに近いもの）を経験し、ひとたびそれらが作動を開始すると（下方のＮｉＴｉ保持部７が制限部１１１から離れると）、それが、いくらかの他の所定の、好ましくはより高い、力の生成を開始することができるように、骨伸延アクチュエータ１９０を設計することが可能である。

骨伸延アクチュエータ１９０の作動サイクルは、以下のように進行する。外部の磁場がコイルワイヤ２３に電圧を誘導するか、又は代替的に、受電コイル組立品２が使用されない場合は、バッテリーにスイッチが入れられる。

この電圧は、電気接続経路において前に記述されたように、ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３に加えられる。この電圧は、オームの法則に従って、ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３を通じて流れることになる電流を生成する。ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３内で消費された電力は、次いでＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３をそれぞれ加熱する。その加熱は、ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３において、マルテンサイト相からオーステナイト相への相転移を引き起こす。その相転移は、ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３を収縮させる（それらの長さが短くなる）。これが起こるときに、ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３は上方のＮｉＴｉ保持部７を下方のＮｉＴｉ保持部６に向かって引っ張り、上方のＮｉＴｉ保持部７は制限部１１１から離れる。これは、次に、バネガイド４を下方のＮｉＴｉ保持部６に向かって引っ張るであろう。これは、外殻１９７とバネガイド４との間の隙間が小さくなるために、バネスタック３を収縮させる（その長さが短くなる）であろう。

ところで、外部の磁場のスイッチが切られた（又は代替的に、バッテリーのスイッチが切られた）ときに、ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３内に流れる電流は存在しない。これは、ＮｉＴｉ束１００，１０１，１０２，１０３が温度低下し、バネスタック３に助けられて、オーステナイト相からマルテンサイト相に戻ることを可能にする。同時に、バネガイド４はその初期位置に向かって戻り、バネスタック３の圧縮は初期のレベルに戻る。同時に、もし図２０におけるバネガイド４の左手側の端部から、すなわち力伝達部への接続部１９８で測定されれば、骨伸延アクチュエータ１９０は力出力を提供する。バネガイド４は、動力伝達機構の繰り返しの収縮パルスから運動を生成するために、力伝達部への接続部１９８から、適切な動力伝達方法へ接続されることができる。具体的には、これは、２００９／１１５６４５Ａｌ及び国際公開第２０１１／１４８０４７Ａｌ号に開示されるような、如何なる動力伝達機構であってもよい。特に、ここで我々は、往復運動を一方向の伸長運動に変換するための、参照される文献のいずれかに記載される機構を意味する。

本発明の多くの特徴及び利点が、本明細書の記述から明らかである。さらに、多数の改良及び変更が当業者にとってすぐに明らかになるであろうから、本発明は、まさに図示及び記述された構造及び動作に限定されるべきではない。故に、全ての適切な改良及び等価物は、本発明の範囲内に含まれるものと訴えられうる。

５）アクチュエータの代替的な構成（図２６−２８）
図２６及び２７は、アクチュエータの一つの代替的な構造を示す。アクチュエータは、ケーブルを介した受電コイルであり得る、受電動力伝達ケーブル（３０１７）と電気的に直列に接続されたＮｉＴｉワイヤの４つの束（３００１）を含む。アクチュエータの電気回路は、以下に記述されるいくつかの要素によって完成される。

誘導動力伝達ケーブル（３０１７）は、誘導動力伝達コイル（図示なし）に接続する。

ケーブル（３０１７）の他端は、ＮｉＴｉ要素（３１１１）に接続する。接触は圧接（crimping）によってなされてもよい。接触はまた、はんだ付けによってなされてもよい。さらに、接触は溶接によってなされてもよい。ＮｉＴｉ要素（３１１１）は、持ち上げプレート（３０１５）上に載っていてもよい。持ち上げプレート（３０１５）の機能は、ＮｉＴｉ要素（３１１１−３１１４）を等しい高さに置き、それらが下層の絶縁部上の小さなクリンプに荷重をより均等に分配するようにすることである。

ＮｉＴｉ要素（３１１１）は、シリーズ接続板（３０１４）を通じてＮｉＴｉ要素（３１１２）に接続する。

ＮｉＴｉ要素（３１１２）は、シリーズ接続板（３０１６）を通じてＮｉＴｉ要素（３１１３）に更に接続する。

ＮｉＴｉ要素（３１１３）は、シリーズ接続板（３１４１）を通じてＮｉＴｉ要素（３１１４）に更に接続する。

ＮｉＴｉ要素（３１１４）は、動力伝達ケーブル（３０１７）のものと同一のワイヤを通じて、誘導動力伝達コイルの他方の極に更に接続する。

部品（３０１０），（３０１１），（３０１２）及び（３０１３）は、動力供給源の金属部品を電気回路から絶縁する、絶縁部として機能する。それらはまた、短絡を防止するためでもある。絶縁部は、如何なる電気的絶縁材料で作られてもよい。絶縁部は、例えばポリマー又はセラミック材料であってもよい。絶縁部（３０１３）は、動力供給源から動力供給源収容管（housing tube）（３００４）への熱伝達を遅くする熱障壁として更に機能する。

ＮｉＴｉ要素（３１１１−３１１４）は、可動部材（３００２）と固定された支持構造（３００３）との間に位置する。固定された支持構造（３００３）は、アクチュエータ収容管（３００４）、バネ支持板（３００５）及びアクチュエータ支持管（３００６）を通じて達成される。支持管（３００６）の自由端（図２６における左側）は、適切な位置に固定される。より一般的にロッドとも呼ばれ得るバネ圧縮ロッド（３００７）は、可動部材（３００２）に接続する。これらは、単一の部品として製造されてもよい。圧縮バネスタック（３００９）は、それらがバネ支持板（３００６）に寄り掛かる（resting against）ように、バネ圧縮ロッド（３００７）の周りに位置する。バネ圧縮ロッド（３００７）は、ＮｉＴｉ要素のための最適なプレストレスまで引っ張られ、固定部品（３００８）が加えられる。加えられた固定部品（３００８）は、その後好ましくは最適なプレストレスを保持する。

これは、如何なる手段、例えばネジ又は溶接等で固定されることができる。

代替的に、支持管（３００６）をその位置に固定することの代わりに、支持管３００６が排除されてもよい。この場合において、アクチュエータは、支持構造（３００３）、収容管（３００４）又はバネ支持板（３００５）と固定されるべきである。

圧縮バネスタック（３００９）は伸長しようとして固定部品（３００８）によって阻止されるため、力はバネ圧縮ロッド（３００７）を通じて可動部材（３００２）に伝えられる。可動部材（３００２）は、図２６における左に更に動こうとして、力をＮｉＴｉ要素（３１１１−３１１４）に伝わらせる。ＮｉＴｉ要素（３１１１−３１１４）の他端は支持構造（３００３）に載っており、支持構造（３００３）は、荷重を受け取り、それを管（３００４，３００６）及びバネ支持板（３００５）を通じて図２６における左端の固定点に伝える。

代替的に、圧縮バネスタック（３００９）の代わりに、通常の圧縮バネが使用されてもよい。代替的に、圧縮バネスタック（３００９）又は圧縮バネの代わりに、引張りバネ（tension spring）が使用されてもよい。引張りバネを使用する場合、引張りバネはロッド（３００７）の端部に接続される。引張りバネをその他端から引っ張るとき、バネは、ロッドを動かし、ＮｉＴｉ要素（３１１１−３１１４）にストレスを加えさせる。引張りバネが最適なプレストレスまで引っ張られたときに、それは、如何なる種類の固定手段を用いて部品（３００６）に固定されてもよい。

アクチュエータの動作サイクルは、図２８によって説明される。停止状態において測定される長さ（measure）Ｌ_１は、例えば１９．７０−１９．９０ｃｍ、好ましくは１９．８０ｃｍであってもよく、測定される長さＬ_２は、例えば１９．９０−２０．１０ｃｍ、好ましくは２０．００ｃｍであってもよく、測定される長さＬ_３は、例えば２２．９０−２３．１０ｃｍ、好ましくは２３．００ｃｍであってもよい。

外部の磁場が作動されるときに、電圧は、誘導動力伝達コイル内に誘導される。動力伝達コイルは、誘導動力伝達ケーブル（３０１７）及びＮｉＴｉ要素（３１１１−３１１４）を含むアクチュエータの直流電気回路を通って流れる電流に更につながる。ＮｉＴｉ要素は、抵抗加熱を通じて更に加熱される。これは、ＮｉＴｉ要素にマルテンサイト相からオーステナイト相への相変化を行わせる。これは、ＮｉＴｉ要素を収縮させる。その収縮は、収縮の量だけ可動部材（３００２）を右に動かす。その収縮は、構造内の任意の弾性的な変形によって減じられ得る。その収縮はまた、同じ量だけバネ圧縮ロッド（３００７）を右に動かす。これは次に、圧縮バネスタック（９）を更に圧縮させる。

さて、アクチュエータはその作動ステップを遂行した。今、測定される長さＬ_１は、例えば１８．７０−１８．９０ｃｍ、好ましくは１８．８０ｃｍであってもよく、測定される長さＬ_２は、例えば１８．９０−１９．１０ｃｍ、好ましくは１９．００ｃｍであってもよく、測定される長さＬ_３は、例えば２３．９０−２４．１０ｃｍ、好ましくは２４．００ｃｍであってもよい。

支持管（３００６）の左側は固定されるので、アクチュエータは、可動部材（３００２）の右端を通じて変位及び力出力を生み出すことが可能である。その後、磁場が消され、ＮｉＴｉ要素（３１１１−３１１４）は温度低下する。結果として、圧縮バネスタック（３００９）は、ＮｉＴｉ要素を初期位置に向かって引っ張る。また、可動部材（３００２）も初期位置に戻る。アクチュエータは、新たな作動サイクルのための準備が整っている。

アクチュエータを一方向運動許容要素に接続することによって、磁場の助けを借りて伸長可能な伸延骨形成装置が実現されることができる。

２受電コイル組立品
３バネスタック
４（可動部材として機能する）バネガイド
５端部ブロック
６ＮｉＴｉ保持部
７ＮｉＴｉ保持部
８，９，１０絶縁部
１０アクチュエータ
１１ＮｉＴｉ要素
１２予荷重バネ
１３可動部材
１４筐体
１６空の空間
１７絶縁部
１８予荷重力−緊張転換部
１９制限部（端部壁）
２１コイル筐体
２２フェライト
２３コイルワイヤ
３０試験システム
３１圧縮ロッド
３２ロードセルへの接続部
３３電気接続
３４バネ係止クランプ
３５流体圧アクチュエータへの接続部
３７歪み測定用の伸縮計
１００，１０１，１０２，１０３ＮｉＴｉ束
１１０アクチュエータ
１１１制限部（阻止ユニット）
１１２プリテンション管
１２０アクチュエータ
１２１制限部（中間壁）
１３０アクチュエータ
１６１クリンプ
１６２クリンプ
１８０脊柱側弯症治療アクチュエータ
１８１交差接続部材
１８３制限部
１８４，１８５組立て中にクリンプがセットされるカップ
１８６接続端子
１９０骨伸延アクチュエータ
１９５コネクタ
１９７インプラントの外殻，アクチュエータ１９０の任意的な部品
１９８力伝達部への接続部
１９９インプラントの外殻に接続されるべきアクチュエータの部分
３００試験サンプル
３０１クリンプ
３０２ＮｉＴｉワイヤ
１１１３可動部材のための開口部
１８１１束
１８１８接続ユニット
１８１９接続ユニット
１８４０機械的接続ピース
１８９９基部
１９９１接続ネジ
１９９２ケーブル溝
２０１１，２０１２コイルコネクタ
２０１３，２０１４導電性板
２０１５，２０１６絶縁部
２０１８シリーズコネクタ
２０１９シリーズコネクタ
３０００アクチュエータ
３００１ＮｉＴｉワイヤ
３００２可動部材
３００３支持構造
３００４収容管
３００５バネ支持板
３００６アクチュエータ支持管
３００７ロッド
３００８固定部品
３００９圧縮バネスタック
３０１０，３０１１，３０１２，３０１３絶縁部
３０１４，３０１６シリーズ接続板
３０１５持ち上げプレート
３０１７動力伝達ケーブル
３１１１，３１１２，３１１３，３１１４ＮｉＴｉ要素
３１４１シリーズ接続板
Ｌ_１バネスタックの長さ
Ｌ_２圧縮ロッドの変位パラメータ
Ｌ_３可動部材の変位パラメータ
［引用文献］
Aalsma A M M, Hekman E E G, Stapert, J W J L, Grootenboer H J 1997 The Design of A TiNi actuator in an intramedullary leg lengthening device J. PHYS. IV FRANCE 7 C5 627 - 631
Aalsma A M M, Hekman E E G, Staper J, Grootenboer H 1998 A completely intramedullary leg lengthening device Proc. of the 20th Ann. Int. Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society 20-5 2710-2713
Belson A 2013, 米国特許公報第8361090B2号明細書, Apparatus and method for endoscopic colectomy
Bertacchini 0 W, Lagouds D C, Patoor E 2009 Thermomechanical transformation fatigue of TiNiCu SMA actuators under a corrosive environment - Part I: Experimental results Int J Fatigue 1571-1578
Chau E T F, Friend C M, Allen D M, Hora J, Webster J R 2006 A technical and economic appraisal of shape memory alloys for aerospace applications Mater. Sci. Eng., A 438-440 589-592
Dynalloy Inc. 2012 Technical charactreristics of Flexinol（登録商標） actuator wires manufacturers datasheet, 2012年10月12日に“http: //www. dynalloy . com/pdfs/TCFll 40.pdf”からオンラインで読み出された
Dahlgren J M 2009, 米国特許出願公開第2009/076597Al号明細書, System for mechanical adjustment of medical implants
Elwaleed A K, Mohamed N A, Nor M J, Mustafa M M 2007 A new concept of a linear smart actuator Sens. Actuators, A 135 244-249
Fumagalli L, Butera F, Coda A 2009 SmartFlex NiTi wires for shape memory actuators J. Mater. Eng. Perform. 18 691-695
ヘルシンキ工科大学2009, 国際公開第2009/115645Al号, Internal osteodistraction device Horst M, Hayoz D, Borghi E, Tozzi P 2013, 米国特許出願公開第2013/0096586Al号明細書, Medical device comprising an artificial contractile structure
Kheirikhah M M, Rabiee S, Edalata M E 2011 A Review of shape memory alloy actuators in robotics Lecture Notes in Computer Science 6556 206-217
Kim H, Yoo Y, Lee J 2008 Development of a NiTi actuator using a two-way shape memory effect induced by compressive loading cycles Sens. Actuators, A 148 437-442
Lagoudas D C, Miller D A, Rong L, Kumar P K 2009 Thermomechanical fatigue of shape memory alloys Smart Mater. Struct. 18
Mammano G S, Dragoni E 2012 Functional fatigue of Ni-Ti shape memory wires under various loading conditions Int J Fatigue http://dx.doi.Org/10.1016/j . ij fatigue.2012.03.004
Mertmann M, Vergani G 2008 Design and application of shape memory actuators Eur. Phys. J. Special Topics 158 221-230
Olympus Corp. 2012, 欧州特許出願公開第2133566A2号明細書, Shape memory alloy actuator
Ryhaenen J 1999 Biocompatibility evaluation of nickel-titanium shape memory alloy Dissertation for University of Oulu ISBN 951-42-5221-7
Soubeiran A A 2003, 米国特許出願公開第2003/032958Al号明細書 , Device for relative displacement of two bodies

Claims

アクチュエータであって：
−少なくとも一つの形状記憶合金に基づく、筐体内の変換部、該変換部の一端に接続された少なくとも一つの可動部材、及び少なくとも一つの予荷重バネを有し；
−少なくとも一つの可動部材の動きを、
・前記少なくとも一つの変換部が、該少なくとも一つの変換部を収縮させる、熱的に誘導される相転移をすることにより、前記予荷重バネにさらに荷重する、第一の方向に、及び
・前記少なくとも一つの変換部が、該変換部を延長させる、温度変化によって引き起こされる相転移をすることにより、前記予荷重バネの荷重を減少させる、前記第一の方向とは反対の第二の方向に、
引き起こすように構成され；
前記可動部材及び予荷重バネに接続するロッドであり、前記変換部のためのプレストレスまで引っ張られ得るロッドと、前記プレストレスを保持するよう加えられた固定部とを更に有し；
前記予荷重バネは、前記ロッドの周りに位置する圧縮バネスタック、又は前記ロッドの端部に接続する引張りバネであり；かつ
前記少なくとも一つの変換部が、形状記憶合金で作られ或いは形状記憶合金のみからなる個別のワイヤまたはロッドの複数の束を有し、前記各束内で前記個別のワイヤが互いに電気的に並列に接続されかつ機械的に平行に配置され、前記複数の束が互いに電気的に直列又は並列に接続されかつ機械的に平行に配置された、
アクチュエータ。
無線で切り替え可能なバッテリーから又は少なくとも一つの誘導コイルを通じる等で、当該アクチュエータ内の電力供給源から受けられた電気エネルギーを前記束に供給するために前記束に電気的に接続される少なくとも二つのコネクタを更に有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
前記束の個別のワイヤ間の電気的及び機械的な接続は、少なくとも一つの接続ユニット内で実施される、請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
前記少なくとも一つの可動部材の動きは、固定された支持構造、筐体管、バネ支持板及び支持管の補助により達成される、請求項１に記載のアクチュエータ。
前記変換部は、一連の接続板を使って接続されるＮｉＴｉ要素に基づく、請求項１に記載のアクチュエータ。