JPWO2016189683A1 - 硬度可変アクチュエータ - Google Patents

Abstract

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。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、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、したがって、可撓性部材に比較的高い硬度を提供する。硬度可変アクチュエータ（１０）はさらに、硬度可変アクチュエータ（１０）の硬度を算出する硬度算出手段（６０，８４）を備えている。

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。

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、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と、形状記憶部材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を備えている。形状記憶部材は、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、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、したがって、可撓性部材に比較的高い硬度を提供する。硬度可変アクチュエータはさらに、硬度可変アクチュエータの硬度を算出する硬度算出手段を備えている。

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、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、駆動回路のスイッチの切り換えに従って形状記憶部材の硬度状態が変更される様子を示している。 図３は、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、形状記憶部材の自由端近くに外力が、形状記憶部材の中心軸に垂直な方向に作用している状況において、駆動回路のスイッチの切り換えに従って形状記憶部材の硬度状態が変更される様子を示している。 図４は、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、形状記憶部材の自由端に外力が、形状記憶部材の中心軸に平行な方向に作用している状況において、駆動回路のスイッチの切り換えに従って形状記憶部材の硬度状態が変更される様子を示している。 図５は、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、駆動回路のスイッチがオフ状態にあり、形状記憶部材が軟質状態にある状況において、外力の有無が切り換えられる様子を示している。 図６は、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、曲げられた形状記憶部材の硬度状態が、駆動回路のスイッチの切り換えに従って軟質状態から硬質状態に変更される様子を示している。 図７は、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、駆動回路のスイッチがオン状態にあり、形状記憶部材が硬質状態にある状況において、外力の有無が切り換えられる様子を示している。 図８は、硬度可変アクチュエータにおける温度と硬度の関係を示している。 図９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１０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１１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１２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。

［第一実施形態］
〔構成〕
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１に示されるように、硬度可変アクチュエータ１０は、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おり、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。形状記憶部材２０は、少なくとも一つの自由端をもって可撓性部材に配される。

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、熱を発する性能を有している。形状記憶部材２０は、誘起部材３０の加熱に対して、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、たとえばヒーターで構成されていてよい。つまり、誘起部材３０は、それを通って流れる電流の供給に対して熱を発する性質を有していてよい。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あってよい。また、誘起部材３０は、熱を発する性能を有していればよく、ヒーターに限らず、撮像素子、ライトガイド、そのほかの素子や部材等で構成されていてもよい。さらには、誘起部材３０は、化学反応的に熱を発する構造体で構成されていてもよい。

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は、導電性材料から構成されていてよい。たとえば、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。

硬度可変アクチュエータ１０は、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間の短絡を防止する絶縁部材を備えている。絶縁膜４２と絶縁膜４４が、この絶縁部材に当たる。絶縁膜４４が確実な短絡防止機能を提供するならば、絶縁膜４２は省略されてもよい。

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の近くに位置する第一の端３２と、形状記憶部材２０の第二の端２４の近くに位置する第二の端３４を有している。形状記憶部材２０と誘起部材３０は共に導電性を有している。誘起部材３０の第一の端３２は、配線５６を介して制御部５０に電気的に接続されている。誘起部材３０の第二の端３４は、導通部材５８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、形状記憶部材２０の硬度を制御するものであり、電源５２とスイッチ５４を含んでいる。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。

形状記憶部材２０は、第一の端２２の近くにおいて、配線７６を介して硬度算出部６０に電気的に接続されている。形状記憶部材２０は、第二の端２４の近くにおいて、配線７８を介して硬度算出部６０に電気的に接続されている。

硬度算出部６０は、硬度可変アクチュエータ１０の硬度を算出するものであり、直列に接続された電源６２とスイッチ６４を有している。電源６２とスイッチ６４の複合体は、スイッチ側が配線７６と電気的に接続されており、電源側が配線７８と電気的に接続されている。

硬度算出部６０はさらに、電源６２とスイッチ６４を流れる電流を検出する電流検出器６６と、電源６２とスイッチ６４の複合体の両端の電圧を検出する電圧検出器計６８を有している。

硬度算出部６０はさらに、電流検出器６６で得られる情報と電圧検出器計６８で得られる情報とに基づいて硬度可変アクチュエータ１０の硬度を算出する演算部７０と、形状記憶部材２０の温度と硬度の関係、形状記憶部材２０の温度履歴を記憶しておく記憶部７２を有している。演算部７０は、好ましくは、電流検出器６６で得られる情報と電圧検出器計６８で得られる情報に加えて、記憶部７２に記憶されている形状記憶部材２０の温度履歴を加味して硬度可変アクチュエータ１０の硬度を算出する。

形状記憶部材２０は、ワイヤ状であってよい。誘起部材３０は、形状記憶部材２０の近くに配されている。誘起部材３０は、コイル状であってよく、形状記憶部材２０は、コイル状の誘起部材３０の内側を通って延びていてよい。このような配置のおかげで、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。

〔硬度可変アクチュエータの動作説明〕
以下、図２〜図７を参照して、前述の硬度可変アクチュエータの動作について説明する。便宜上、形状記憶部材２０の一端が固定されているものとして説明する。また、形状記憶部材２０の記憶形状は直線形状であるとする。図２〜図７において、軟質状態である形状記憶部材２０が左上がりのハッチングで示され、硬質状態である形状記憶部材２０が右上がりのハッチングで示されている。

図２は、制御部５０のスイッチ５４の切り換えに従って形状記憶部材２０の硬度状態が変更される様子を示している。

図２の左側では、制御部５０のスイッチ５４がオフ状態にあり、すなわち開いており、形状記憶部材２０は、弾性係数が低い軟質状態である第一の相にある。

図２の右側に示されるように、制御部５０のスイッチ５４がオン状態に切り換えられる、すなわち閉じられると、誘起部材３０に電流が流れ、誘起部材３０が熱を発する。その結果、形状記憶部材２０は、弾性係数が高い硬質状態である第二の相に移り変わる。

図３は、形状記憶部材２０の自由端近くに外力Ｆ１が、形状記憶部材２０の中心軸に垂直な方向に作用している状況において、制御部５０のスイッチ５４の切り換えに従って形状記憶部材２０の硬度状態が変更される様子を示している。この外力Ｆ１は、形状記憶部材２０が記憶形状に戻ろうとする復元力よりも小さいものである。

図３の左側では、制御部５０のスイッチ５４がオフ状態にあり、形状記憶部材２０は、軟質状態である第一の相にある。第一の相では、形状記憶部材２０は、外力Ｆ１に従って容易に変形する状態にある。形状記憶部材２０は、外力Ｆ１によって曲げられている。

図３の右側に示されるように、制御部５０のスイッチ５４がオン状態に切り換えられると、誘起部材３０が熱を発し、形状記憶部材２０は、硬質状態である第二の相に移り変わる。この第二の相では、形状記憶部材２０は記憶形状を取る傾向を示す。すなわち、形状記憶部材２０が、記憶形状と異なる形状にあれば、形状記憶部材２０は、記憶形状に戻ろうとする。外力Ｆ１は、形状記憶部材２０の復元力よりも小さいため、形状記憶部材２０は、外力Ｆ１に逆らって記憶形状すなわち直線形状に戻る。

図４は、形状記憶部材２０の自由端に外力Ｆ２が、形状記憶部材２０の中心軸に平行な方向に作用している状況において、制御部５０のスイッチ５４の切り換えに従って形状記憶部材２０の硬度状態が変更される様子を示している。この外力Ｆ２は、形状記憶部材２０が記憶形状に戻ろうとする復元力よりも小さいものである。

図４の左側では、制御部５０のスイッチ５４がオフ状態にあり、形状記憶部材２０は、軟質状態である第一の相にある。第一の相では、形状記憶部材２０は、外力Ｆ２に従って容易に変形する状態にある。形状記憶部材２０は、外力Ｆ２によって圧縮されている。すなわち、形状記憶部材２０は、曲がりを伴って、その長さすなわち中心軸に沿った寸法が低減されている。

図４の右側に示されるように、制御部５０のスイッチ５４がオン状態に切り換えられると、誘起部材３０が熱を発し、形状記憶部材２０は、硬質状態である第二の相に移り変わる。この第二の相では、形状記憶部材２０は記憶形状を取る傾向を示す。外力Ｆ２は、形状記憶部材２０の復元力よりも小さいため、形状記憶部材２０は、外力Ｆ２に逆らって記憶形状すなわち直線状の元の長さに戻る。

図５は、制御部５０のスイッチ５４がオフ状態にあり、形状記憶部材２０が軟質状態である第一の相にある状況において、外力の有無が切り換えられる様子を示している。第一の相では、形状記憶部材２０は、外力に従って容易に変形する状態にある。

図５の左側では、形状記憶部材２０の自由端近くに外力Ｆ１が、形状記憶部材２０の中心軸に垂直な方向に作用している。形状記憶部材２０は、外力Ｆ１によって曲げられている。

図５の右側では、それまで形状記憶部材２０に作用していた外力Ｆ１が取り除かれている。形状記憶部材２０は、外力Ｆ１が取り除かれたのちも、曲げられたままにある。

図６は、曲げられた形状記憶部材２０の硬度状態が、制御部５０のスイッチ５４の切り換えに従って軟質状態から硬質状態に変更される様子を示している。

図６の左側は、図５の右側と同じ状態、すなわち、形状記憶部材２０は、外力Ｆ１によって曲げられたのちに外力Ｆ１が取り除かれ、曲げられたままにある様子を示している。

図６の右側に示されるように、制御部５０のスイッチ５４がオン状態に切り換えられると、誘起部材３０が熱を発し、形状記憶部材２０は、硬質状態である第二の相に移り変わる。この第二の相では、形状記憶部材２０は記憶形状を取る傾向を示すため、形状記憶部材２０は記憶形状すなわち直線形状に戻る。

図７は、制御部５０のスイッチ５４がオン状態にあり、形状記憶部材２０が、硬質状態である第二の相にある状況において、外力の有無が切り換えられる様子を示している。この第二の相では、形状記憶部材２０は記憶形状を取る傾向を示す。

図７の左側では、形状記憶部材２０の自由端近くに外力Ｆ３が、形状記憶部材２０の中心軸に垂直な方向に作用している様子を示している。この外力Ｆ３は、形状記憶部材２０が記憶形状に戻ろうとする復元力よりも大きいものである。このため、形状記憶部材２０は外力Ｆ３に抗して記憶形状に戻ろうとするものの、外力Ｆ３は形状記憶部材２０の復元力を超えて大きいため、形状記憶部材２０は外力Ｆ３によって曲げられている。

図７の右側では、それまで形状記憶部材２０に作用していた外力Ｆ３が取り除かれている。形状記憶部材２０の復元力よりも大きい外力Ｆ３が取り除かれたため、形状記憶部材２０は記憶形状すなわち直線形状に戻っている。

〔硬度可変アクチュエータの装着の仕方と動作の説明〕
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。

〔形状記憶部材２０の温度と硬度の関係〕
図８は、硬度可変アクチュエータ１０における形状記憶部材２０の温度と硬度の関係を示している。形状記憶部材２０の温度と硬度の関係は、使用する形状記憶部材２０や誘起部材３０によって異なる。形状記憶部材２０の温度と硬度の関係は、事前に取得されて、記憶部７２に記憶される。図８から分かるように、形状記憶部材２０の温度と硬度の関係はヒステリシスを有している。

図８において、（ａ）は、Ｍｆ（martensite finish）以下の温度域を示しており、この温度域では、形状記憶部材２０は最も硬度が低い状態となる。

（ｄ）は、Ａｆ（austenite finish）以上の温度域を示しており、この温度域では、形状記憶部材２０は最も硬度が高い状態となる。

これら二つの温度域では、形状記憶部材２０の硬度は、形状記憶部材２０の温度から直接算出され得る。

しかしながら、形状記憶部材２０の温度と硬度の関係はヒステリシスを有していることから、これら二つの温度域（ａ）と（ｄ）の間の温度域においては、形状記憶部材２０の硬度を算出する際に温度履歴を考慮する必要がある。これについて、以下に説明する。

（ｂ）は、Ｍｆ以上Ａｓ（austenite start）以下の温度域であり、Ｍｆから上がり始めＡｓを上回っていない温度域である。この温度域では、形状記憶部材２０の硬度は、（ａ）の温度域にあるときとあまり変わらない。

（ｃ）は、Ａｓ以上Ａｆ以下の温度域であり、Ａｓから上がり始めＡｆを上回っていない温度域である。この温度域では、形状記憶部材２０の硬度は、温度がＡｓからＡｆに上がるにつれて上昇する。

（ｅ）は、Ａｆ以下Ｍｓ（martensite start）以上の温度域であり、Ａｆから下がり始めＭｓを下回っていない温度域である。この温度域では、形状記憶部材２０の硬度は、（ｄ）の温度域にあるときとあまり変わらない。

（ｆ）は、Ｍｓ以下Ｍｆ以上の温度域であり、Ｍｓから下がり始めＭｆを下回っていない温度域である。この温度域では、形状記憶部材２０の硬度は、温度がＭｓからＭｆに下がるにつれて下降する。

つまり、（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）の温度域では、形状記憶部材２０の硬度は、温度のみでは一義的に決まらない。つまり、形状記憶部材２０の硬度は、温度だけからは算出できない。形状記憶部材２０の硬度を算出するためには、形状記憶部材２０の現在の温度に加えて、形状記憶部材２０の温度履歴を考慮する必要がある。形状記憶部材２０の温度履歴は、たとえば、各時刻における形状記憶部材２０の温度の情報、言い換えれば、時刻と形状記憶部材２０の温度のペアの情報であってよく、硬度可変アクチュエータ１０の動作中に記憶部７２に記憶される。

〔硬度可変アクチュエータ１０の硬度の算出〕
導体は、温度が上がるにつれて、その抵抗値が上がる。本実施形態は、この原理を利用し、形状記憶合金に電圧を印加し、流れる電流から抵抗値を求め、温度換算を行う。多くの場合、形状記憶合金の抵抗値で温度を求めることは難しい。その理由は、形状記憶合金は温度で形状が変化し、断面積と長さが変化するためである。しかし、本硬度可変アクチュエータ１０では、形状記憶部材２０の硬度変化を使用するため、形状変化に伴う抵抗変化が非常に小さく、抵抗値から温度が換算できる。

補足説明すると、一般的な形状記憶合金アクチュエータは、軸方向の形状変化を使用することが多く、断面積の変化と長さの変化が大きく、抵抗値の変化が大きい。しかしながら、本硬度可変アクチュエータ１０は、形状が変化しても径方向の形状変化のため、断面積の変化と長さの変化が小さく、抵抗値の変化が小さい。以上のことから、本硬度可変アクチュエータ１０では、抵抗値から温度、温度から硬度を、上述した一般的な場合に比較して精度良く算出することができる。

硬度算出部６０は、形状記憶部材２０に電圧を印加し、形状記憶部材２０に電流を流す。電流検出器６６は、形状記憶部材２０に流れる電流値を測定する。電圧検出器６８は、形状記憶部材２０に印加された電圧値を測定する。演算部７０は、電流検出器６６で得られた電流値と、電圧検出器６８で得られた電圧値に基づいて、形状記憶部材２０の抵抗値を算出する。演算部７０はさらに、算出した抵抗値に基づいて、形状記憶部材２０の温度を算出する。記憶部７２は、算出された形状記憶部材２０の温度を、そのときの時刻と共に記憶する。

さらに演算部７０は、算出した形状記憶部材２０の温度と、記憶部７２に記憶されている形状記憶部材２０の温度履歴に基づいて、硬度可変アクチュエータ１０の硬度を算出する。演算部７０は、具体的には、形状記憶部材２０の温度履歴に基づいて、温度が上がってきて現在の温度に至ったのか、温度が下がってきて現在の温度に至ったのかを判断する。演算部７０は、その判断結果を踏まえて、記憶部７２に記憶されている形状記憶部材２０の温度と硬度の関係と、算出した形状記憶部材２０の温度とから、硬度可変アクチュエータ１０の硬度を算出する。

［第二実施形態］
図９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９において、図１に示した部材と同一の参照符号を付した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、以下の説明で触れない部分は、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１０Ａは、第一実施形態の硬度可変アクチュエータ１０と比較して、駆動部５０が省略されている。その代わりに、誘起部材３０の第一の端３２は、硬度算出部６０に接続された配線７６と電気的に接続されており、誘起部材３０の第二の端３４は、硬度算出部６０に接続された配線７８と電気的に接続されている。つまり、本実施形態では、硬度算出部６０が、第一実施形態における駆動部５０を兼ねている。

本実施形態では、記憶部７２は、第一実施形態における形状記憶部材２０の温度と硬度の関係に代えて、誘起部材３０の温度と形状記憶部材２０の硬度の関係をあらかじめ記憶している。また、誘起部材３０は導電性を有しているが、形状記憶部材２０は、必ずしも導電性を有している必要はなく、導電性を有していなくてもよい。

硬度算出部６０は、誘起部材３０に電圧を印加し、誘起部材３０に電流を流す。電流検出器６６は、誘起部材３０に流れる電流値を測定する。電圧検出器６８は、誘起部材３０に印加された電圧値を測定する。演算部７０は、電流検出器６６で得られた電流値と、電圧検出器６８で得られた電圧値に基づいて、誘起部材３０の抵抗値を算出する。演算部７０はさらに、算出した抵抗値に基づいて、誘起部材３０の温度を算出する。記憶部７２は、算出された誘起部材３０の温度を、そのときの時刻と共に記憶する。

さらに演算部７０は、算出した誘起部材３０の温度と、記憶部７２に記憶されている誘起部材３０の温度履歴に基づいて、硬度可変アクチュエータ１０Ａの硬度を算出する。演算部７０は、具体的には、誘起部材３０の温度履歴に基づいて、温度が上がってきて現在の温度に至ったのか、温度が下がってきて現在の温度に至ったのかを判断する。演算部７０は、その判断結果を踏まえて、記憶部７２に記憶されている誘起部材３０の温度と形状記憶部材２０の硬度の関係と、算出した誘起部材３０の温度とから、硬度可変アクチュエータ１０Ａの硬度を算出する。

［第三実施形態］
図１０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１０において、図１に示した部材と同一の参照符号を付した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、以下の説明で触れない部分は、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１０Ｂは、第一実施形態の硬度可変アクチュエータ１０と比較して、駆動部５０が省略されている。誘起部材３０と形状記憶部材２０は共に導電性を有している。誘起部材３０の第一の端３２は、配線７８を介して硬度算出部６０に電気的に接続されている。誘起部材３０の第二の端３４は、導通部材８２を介して形状記憶部材２０と電気的に接続されている。導通部材８２は、例えば配線で構成され得るが、これに限定されることはなく、電気的接続を取り得る構造体であればよく、例えば、かしめ、溶接、ロウ付け、ハンダ付け、導電性接着剤などで構成されてもよい。形状記憶部材２０は、第一の端２２の近くにおいて、配線７６を介して硬度算出部６０に電気的に接続されている。

硬度算出部６０は、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間に電圧を印加し、形状記憶部材２０と誘起部材３０に電流を流す。電流検出器６６は、形状記憶部材２０と誘起部材３０に流れる電流値を測定する。電圧検出器６８は、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間に印加された電圧値を測定する。演算部７０は、電流検出器６６で得られた電流値と、電圧検出器６８で得られた電圧値に基づいて、形状記憶部材２０の抵抗値と誘起部材３０の抵抗値を算出する。演算部７０はさらに、算出した抵抗値に基づいて、形状記憶部材２０の温度を算出する。記憶部７２は、算出された形状記憶部材２０の温度を、そのときの時刻と共に記憶する。

さらに演算部７０は、算出した形状記憶部材２０の温度と、記憶部７２に記憶されている形状記憶部材２０の温度履歴に基づいて、硬度可変アクチュエータ１０Ｂの硬度を算出する。演算部７０は、具体的には、形状記憶部材２０の温度履歴に基づいて、温度が上がってきて現在の温度に至ったのか、温度が下がってきて現在の温度に至ったのかを判断する。演算部７０は、その判断結果を踏まえて、記憶部７２に記憶されている形状記憶部材２０の温度と硬度の関係と、算出した形状記憶部材２０の温度とから、硬度可変アクチュエータ１０Ｂの硬度を算出する。

［第四実施形態］
図１１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１１において、図１に示した部材と同一の参照符号を付した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、以下の説明で触れない部分は、第一実施形態と同様である。

硬度可変アクチュエータ１０Ｃはさらに、形状記憶部材２０の温度を検出するための温度センサ８４を備えている。温度センサ８４は、好ましくは、絶縁膜４２で覆われていない形状記憶部材２０の部分の近くに配置されている。

制御部５０は、誘起部材３０に電圧を印加し、誘起部材３０に電流を流す。温度センサ８４は、形状記憶部材２０の温度を検出し、検出した温度情報を硬度算出部６０に送る。記憶部７２は、温度センサ８４で検出された温度情報を、そのときの時刻と共に記憶する。

演算部７０は、温度センサ８４で検出された温度情報と、記憶部７２に記憶されている形状記憶部材２０の温度履歴に基づいて、硬度可変アクチュエータ１０Ｃの硬度を算出する。演算部７０は、具体的には、形状記憶部材２０の温度履歴に基づいて、温度が上がってきて現在の温度に至ったのか、温度が下がってきて現在の温度に至ったのかを判断する。演算部７０は、その判断結果を踏まえて、記憶部７２に記憶されている形状記憶部材２０の温度と硬度の関係と、温度センサ８４で検出された温度情報とから、硬度可変アクチュエータ１０Ｃの硬度を算出する。

［第五実施形態］
図１２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１２において、図１に示した部材と同一の参照符号を付した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、以下の説明で触れない部分は、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、硬度可変アクチュエータ１０と同様、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。

形状記憶部材２０’の諸特性は、形状記憶部材２０と同様である。また、誘起部材３０’の諸特性は、誘起部材３０と同様である。

形状記憶部材２０’は、パイプ状である。また、誘起部材３０’は、これに限定されるものではないが、例えば容易に変形可能なワイヤ状であり、形状記憶部材２０’の内側を通って延びている。このような配置のおかげで、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。また、形状記憶部材２０’の弾性係数は径方向寸法に依存するため、パイプ状の形状記憶部材２０’は、中実構造のものと比較して、同じ体積の条件下において、高い弾性係数を示し、したがって、高い硬度を提供する。

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’の近くに位置する第一の端３２’と、形状記憶部材２０’の第二の端２４’の近くに位置する第二の端３４’を有している。誘起部材３０’は導電性を有しており、誘起部材３０’は、第一の端３２’の近くにおいて、硬度算出部６０に電気的に接続された配線７６と電気的に接続されている。誘起部材３０’は、第二の端３４’の近くにおいて、硬度算出部６０に電気的に接続された配線７８と電気的に接続されている。

本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｄは、第一実施形態の硬度可変アクチュエータ１０と比較して、駆動部５０が省略されている。その代わりに、誘起部材３０’は、第一の端３２’の近くにおいて、硬度算出部６０に接続された配線７６と電気的に接続されており、第二の端３４’の近くにおいて、硬度算出部６０に接続された配線７８と電気的に接続されている。つまり、本実施形態では、硬度算出部６０が、第一実施形態における駆動部５０を兼ねている。

本実施形態では、記憶部７２は、第一実施形態における形状記憶部材２０の温度と硬度の関係に代えて、誘起部材３０’の温度と形状記憶部材２０’の硬度の関係をあらかじめ記憶している。また、誘起部材３０’は導電性を有しているが、形状記憶部材２０’は、必ずしも導電性を有している必要はなく、導電性を有していなくてもよい。

硬度算出部６０は、誘起部材３０’に電圧を印加し、誘起部材３０’に電流を流す。電流検出器６６は、誘起部材３０’に流れる電流値を測定する。電圧検出器６８は、誘起部材３０’に印加された電圧値を測定する。演算部７０は、電流検出器６６で得られた電流値と、電圧検出器６８で得られた電圧値に基づいて、誘起部材３０’の抵抗値を算出する。演算部７０はさらに、算出した抵抗値に基づいて、誘起部材３０’の温度を算出する。記憶部７２は、算出された誘起部材３０’の温度を、そのときの時刻と共に記憶する。

さらに演算部７０は、算出した誘起部材３０’の温度と、記憶部７２に記憶されている誘起部材３０’の温度履歴に基づいて、硬度可変アクチュエータ１０Ｄの硬度を算出する。演算部７０は、具体的には、誘起部材３０’の温度履歴に基づいて、温度が上がってきて現在の温度に至ったのか、温度が下がってきて現在の温度に至ったのかを判断する。演算部７０は、その判断結果を踏まえて、記憶部７２に記憶されている誘起部材３０’の温度と形状記憶部材２０’の硬度の関係と、算出した誘起部材３０’の温度とから、硬度可変アクチュエータ１０Ｄの硬度を算出する。

これまでに説明した実施形態の各硬度可変アクチュエータは、ただ一つの誘起部材を有しているが、複数の誘起部材を有しているように変更されてもよい。この場合、硬度算出部は、複数の誘起部材のおのおのの温度、または複数の誘起部材のおのおのの近くの形状記憶部材の部分の温度を算出するか、温度センサによって複数の誘起部材のおのおのの近くの形状記憶部材の部分の温度を検出する。さらに、硬度算出部は、複数の誘起部材のおのおのの近くの形状記憶部材の部分の硬度を独立して算出する。これにより、形状記憶部材の温度の分布や硬度の分布が取得され得る。

この目的のため、硬度可変アクチュエータは、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と、形状記憶部材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を備えている。形状記憶部材は、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、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、したがって、可撓性部材に比較的高い硬度を提供する。硬度可変アクチュエータはさらに、硬度可変アクチュエータの硬度を算出する硬度算出手段を備えている。
ある実施形態に係る硬度可変アクチュエータでは、硬度算出手段は、誘起部材の温度に基づいて硬度可変アクチュエータの硬度を算出する。硬度算出手段は、誘起部材の温度履歴を記憶しておく記憶部を有しており、記憶部に記憶されている誘起部材の温度履歴に基づいて硬度可変アクチュエータの硬度を算出する。
別の実施形態に係る硬度可変アクチュエータでは、硬度算出手段は、形状記憶部材の温度に基づいて硬度可変アクチュエータの硬度を算出する。硬度算出手段は、形状記憶部材の温度履歴を記憶しておく記憶部を有しており、記憶部に記憶されている形状記憶部材の温度履歴に基づいて硬度可変アクチュエータの硬度を算出する。

硬度算出部６０はさらに、電源６２とスイッチ６４を流れる電流を検出する電流検出器６６と、電源６２とスイッチ６４の複合体の両端の電圧を検出する電圧検出器６８を有している。

硬度算出部６０はさらに、電流検出器６６で得られる情報と電圧検出器６８で得られる情報とに基づいて硬度可変アクチュエータ１０の硬度を算出する演算部７０と、形状記憶部材２０の温度と硬度の関係、形状記憶部材２０の温度履歴を記憶しておく記憶部７２を有している。演算部７０は、好ましくは、電流検出器６６で得られる情報と電圧検出器６８で得られる情報に加えて、記憶部７２に記憶されている形状記憶部材２０の温度履歴を加味して硬度可変アクチュエータ１０の硬度を算出する。

本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ａは、第一実施形態の硬度可変アクチュエータ１０と比較して、制御部５０が省略されている。その代わりに、誘起部材３０の第一の端３２は、硬度算出部６０に接続された配線７６と電気的に接続されており、誘起部材３０の第二の端３４は、硬度算出部６０に接続された配線７８と電気的に接続されている。つまり、本実施形態では、硬度算出部６０が、第一実施形態における制御部５０を兼ねている。

本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｂは、第一実施形態の硬度可変アクチュエータ１０と比較して、制御部５０が省略されている。誘起部材３０と形状記憶部材２０は共に導電性を有している。誘起部材３０の第一の端３２は、配線７８を介して硬度算出部６０に電気的に接続されている。誘起部材３０の第二の端３４は、導通部材８２を介して形状記憶部材２０と電気的に接続されている。導通部材８２は、例えば配線で構成され得るが、これに限定されることはなく、電気的接続を取り得る構造体であればよく、例えば、かしめ、溶接、ロウ付け、ハンダ付け、導電性接着剤などで構成されてもよい。形状記憶部材２０は、第一の端２２の近くにおいて、配線７６を介して硬度算出部６０に電気的に接続されている。

本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｄは、第一実施形態の硬度可変アクチュエータ１０と比較して、制御部５０が省略されている。その代わりに、誘起部材３０’は、第一の端３２’の近くにおいて、硬度算出部６０に接続された配線７６と電気的に接続されており、第二の端３４’の近くにおいて、硬度算出部６０に接続された配線７８と電気的に接続されている。つまり、本実施形態では、硬度算出部６０が、第一実施形態における制御部５０を兼ねている。

Claims (10)

1. 可撓性部材に装着され、前記可撓性部材に異なる硬度を提供し得る硬度可変アクチュエータであり、
   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を備えており、前記形状記憶部材は、前記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、したがって、前記可撓性部材に比較的低い硬度を提供し、前記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、したがって、前記可撓性部材に比較的高い硬度を提供し、さらに、
   前記形状記憶部材に前記第一の相と前記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と、
   前記硬度可変アクチュエータの硬度を算出する硬度算出手段を備えている、硬度可変アクチュエータ。
2. 前記硬度算出手段は、前記形状記憶部材の温度に基づいて前記硬度可変アクチュエータの硬度を算出する、請求項１の硬度可変アクチュエータ。
3. 前記硬度算出手段は、前記形状記憶部材の温度履歴を記憶しておく記憶部を有しており、前記記憶部に記憶されている前記形状記憶部材の温度履歴に基づいて前記硬度可変アクチュエータの硬度を算出する、請求項２の硬度可変アクチュエータ。
4. 前記硬度算出手段は、前記形状記憶部材の温度を、前記形状記憶部材の抵抗値に基づいて算出する、請求項３の硬度可変アクチュエータ。
5. 前記硬度算出手段は、前記形状記憶部材の抵抗値と前記誘起部材の抵抗値とに基づいて前記硬度可変アクチュエータの硬度を算出する、請求項４の硬度可変アクチュエータ。
6. 前記硬度算出手段は、前記形状記憶部材の近傍に配置された温度センサを有しており、前記温度センサが取得した情報に基づいて前記硬度可変アクチュエータの硬度を算出する、請求項３の硬度可変アクチュエータ。
7. 前記硬度算出手段は、前記誘起部材の温度に基づいて前記硬度可変アクチュエータの硬度を算出する、請求項１の硬度可変アクチュエータ。
8. 前記硬度算出手段は、前記誘起部材の温度履歴を記憶しておく記憶部を有しており、前記記憶部に記憶されている前記誘起部材の温度履歴に基づいて前記硬度可変アクチュエータの硬度を算出する、請求項７の硬度可変アクチュエータ。
9. 前記硬度算出手段は、前記誘起部材の温度を、前記誘起部材の抵抗値に基づいて算出する、請求項８の硬度可変アクチュエータ。
10. 前記硬度算出手段は、前記形状記憶部材の抵抗値と前記誘起部材の抵抗値とに基づいて前記硬度可変アクチュエータの硬度を算出する、請求項９の硬度可変アクチュエータ。

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