WO2016174741A1 - 硬度可変アクチュエータ - Google Patents

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hardness
shape
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Inventor
哲矢 森島
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オリンパス株式会社
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes

Definitions

  • the present invention relates to a hardness variable actuator for changing the hardness of a flexible member.
  • Japanese Patent No. 3212673 discloses an endoscope that can change the hardness of the soft part of the insertion part.
  • a flexible member for example, a coil pipe
  • a flexible adjustment member for example, a coil pipe
  • a flexible adjusting wire is fixed via a separator.
  • the flexible member and the flexibility adjusting member extend along the soft portion to the operation portion, and extend over substantially the entire soft portion. By pulling the flexibility adjusting member, the flexible member is compressed and hardened, thereby changing the hardness of the soft part.
  • Japanese Patent No. 3142828 discloses a hardness varying device for a flexible tube using a shape memory alloy. This hardness varying device is arranged to extend in the axial direction in a coil disposed in a flexible tube, an electrically insulating tube disposed inside the coil, and the electrically insulating tube. A shape memory alloy wire and an electric heating means for energizing the shape memory alloy wire are provided.
  • the shape memory alloy wire has the property that its length expands at low temperatures and contracts at high temperatures.
  • the shape memory alloy wire extends through fixing portions provided at both ends of the coil, and a caulking member is fixed to both ends thereof.
  • the shape memory alloy wire is arranged so that it is loosened at a low temperature and the caulking member is engaged with and stretched at a fixed part at a high temperature.
  • Shape wire made of shape memory alloy shrinks and hardens the coil at a high temperature heated by the electric heating means. On the other hand, at low temperatures without energization, the shape memory alloy wire stretches to soften the coil.
  • This hardness variable device can be configured in a small size because of its simple configuration, but when the shape memory alloy wire contracts, both ends of the shape memory alloy wire are constrained and a load is applied to the shape memory alloy wire. There is difficulty in its durability.
  • An object of the present invention is to provide a durable variable hardness actuator that is mounted on a flexible member and can provide different hardness to the flexible member with a simple configuration.
  • the hardness variable actuator includes a shape memory member in which the phase can change between the first phase and the second phase, and a phase change between the first phase and the second phase in the shape memory member.
  • a plurality of inducing members for causing the phenomenon are provided.
  • the shape memory member assumes a soft state that can be easily deformed according to external forces, thus providing a relatively low hardness for the flexible member.
  • the shape memory member when the shape memory member is in the second phase, it takes a hard state showing a tendency to take a memory shape memorized in advance against an external force, and thus the flexible member has a relatively high hardness.
  • FIG. 1 shows a variable hardness actuator according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a view for explaining the operation of the hardness variable actuator, and shows a state in which the hardness state of the shape memory member is changed according to switching of the switch of the drive circuit.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the hardness variable actuator in a situation in which an external force is acting on the portion of the shape memory member near the lower end of the induction member in a direction perpendicular to the central axis of the shape memory member.
  • FIG. 4 shows how the hardness state of the shape memory member is changed according to switching of the switch of the drive circuit.
  • FIG. 4 is a view for explaining the operation of the hardness variable actuator.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the hardness variable actuator, and shows a state in which the presence or absence of an external force is switched in a situation where the switch of the drive circuit is in an OFF state and the shape memory member is in a soft state.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the hardness variable actuator, and shows a state in which the hardness state of the bent shape memory member is changed from the soft state to the hard state in accordance with switching of the switch of the drive circuit. .
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the hardness variable actuator, and shows a state in which the presence or absence of an external force is switched in a situation where the switch of the drive circuit is in an on state and the shape memory member is in a hard state.
  • FIG. 8 shows a hardness variable actuator according to the second embodiment.
  • FIG. 9 shows a hardness variable actuator according to the third embodiment.
  • FIG. 10 shows a variable hardness actuator according to the fourth embodiment.
  • FIG. 1 shows a variable hardness actuator according to the first embodiment.
  • the hardness variable actuator 10 has a function of providing the flexible member with different hardness by being able to take different hardness states, and between the first phase and the second phase. And a plurality of induction members 30 that cause the shape memory member 20 to cause phase transition between the first phase and the second phase. Although three induction members 30 are illustrated in FIG. 1, the number of induction members 30 is not limited to this.
  • the hardness variable actuator 10 may have two induction members 30 or may have four or more induction members 30.
  • the shape memory member 20 is disposed on the flexible member with at least one free end.
  • the shape memory member 20 When the shape memory member 20 is in the first phase, it takes a soft state that can be easily deformed according to an external force, that is, exhibits a low elastic modulus, and thus provides a relatively low hardness for the flexible member. Further, when the shape memory member 20 is in the second phase, the shape memory member 20 takes a hard state showing a tendency to take a memory shape memorized in advance against an external force, that is, exhibits a high elastic coefficient, and thus is flexible. Providing a relatively high hardness to the structural member.
  • the memory shape is not limited to this, but may be a linear shape, for example.
  • the external force means a force that can deform the shape memory member 20, and gravity is also considered as a part of the external force.
  • Each induction member 30 has a performance of generating heat.
  • the shape memory member 20 has a property that the phase is changed from the first phase to the second phase with respect to the heating of the induction member 30.
  • the shape memory member 20 is elongated, and the plurality of induction members 30 are arranged at intervals along the longitudinal axis of the shape memory member 20.
  • the plurality of induction members 30 may be the same structure as depicted in FIG. However, without being limited thereto, the plurality of induction members 30 may include a plurality of different structures. Different structures may have, for example, different lengths, different thicknesses, different pitches, and may be made of different materials. That is, all or some of the plurality of induction members 30 may have the same characteristics or different characteristics.
  • the shape memory member 20 may be made of, for example, a shape memory alloy.
  • the shape memory alloy is not limited to this, but may be, for example, an alloy containing NiTi.
  • the shape memory member 20 is not limited to this, and may be made of other materials such as a shape memory polymer, a shape memory gel, and a shape memory ceramic.
  • the shape memory alloy constituting the shape memory member 20 may be one in which the phase changes between the martensite phase and the austenite phase, for example.
  • the shape memory alloy undergoes plastic deformation relatively easily with respect to external force during the martensite phase. That is, the shape memory alloy exhibits a low elastic modulus during the martensite phase.
  • the shape memory alloy resists external force and does not easily deform during the austenite phase. Even if it is deformed due to a large external force, if the large external force disappears, it shows superelasticity and returns to the memorized shape. That is, the shape memory alloy exhibits a high elastic modulus during the austenite phase.
  • the induction member 30 may be composed of a heater, for example. That is, the inducing member 30 may have the property of generating heat in response to the supply of current flowing therethrough.
  • the induction member 30 may be, for example, a heating wire, that is, a conductive member having a large electric resistance.
  • the induction member 30 should just have the capability to generate
  • the induction member 30 may be configured by a structure that generates heat in a chemical reaction.
  • the shape memory member 20 may be made of a conductive material.
  • an insulating film 42 is provided around the shape memory member 20.
  • the insulating film 42 functions to prevent a short circuit between the shape memory member 20 and the induction member 30.
  • the insulating film 42 is provided so as to cover at least a portion facing the induction member 30.
  • FIG. 1 illustrates a form in which the outer peripheral surface of the shape memory member 20 is partially covered, the present invention is not limited thereto, and is provided so as to cover the entire outer peripheral surface of the shape memory member 20. Alternatively, the shape memory member 20 may be entirely covered.
  • the induction member 30 may be made of a conductive material.
  • an insulating film 44 is provided around the induction member 30. The insulating film 44 functions to prevent a short circuit between the shape memory member 20 and the induction member 30 and a short circuit between adjacent portions of the induction member 30.
  • the hardness variable actuator 10 includes an insulating member that prevents a short circuit between the shape memory member 20 and the induction member 30.
  • the insulating film 42 and the insulating film 44 hit this insulating member. If the insulating film 44 provides a reliable short circuit prevention function, the insulating film 42 may be omitted.
  • the variable hardness actuator 10 is also provided with a controller that drives the plurality of induction members 30 independently.
  • the control unit 50 includes a plurality of drive circuits 52 that respectively drive the plurality of induction members 30.
  • Each drive circuit 52 includes a power supply 54 and a switch 56.
  • Each drive circuit 52 is electrically connected to both ends of the corresponding induction member 30.
  • Each drive circuit 52 supplies a current to the corresponding induction member 30 in response to an on or closing operation of the switch 56, and supplies a current to the corresponding induction member 30 in response to an off or open operation of the switch 56.
  • the induction member 30 generates heat in response to the supply of current.
  • the shape memory member 20 may be a wire shape.
  • the induction member 30 is disposed near the shape memory member 20.
  • the induction member 30 may be coiled, and the shape memory member 20 may extend through the inside of the coiled induction member 30. Thanks to such an arrangement, the heat generated by the induction member 30 is efficiently transmitted to the shape memory member 20.
  • variable hardness actuator operation The operation of the above-described variable hardness actuator will be described below with reference to FIGS.
  • one end of the shape memory member 20 is fixed, and the operation of the peripheral portion of the induction member 30 near the fixed end will be described.
  • the memory shape of the shape memory member 20 is a linear shape.
  • FIGS. 2 to 7 the shape memory member 20 in the soft state is shown with a left-upward hatching, and the shape memory member 20 in a hard state is shown with a right-upward hatching.
  • FIG. 2 shows a state in which the hardness state of the shape memory member 20 is changed in accordance with switching of the switch 56 of the drive circuit 52.
  • the switch 56 of the drive circuit 52 is in an OFF state, that is, is open, and the shape memory member 20 is in a first phase in a soft state with a low elastic modulus.
  • FIG. 3 shows that the external force F1 acts on the shape memory member 20 near the lower end of the induction member 30 in the direction perpendicular to the central axis of the shape memory member 20, and the switch 56 of the drive circuit 52 is switched.
  • the mode that the hardness state of the shape memory member 20 is changed is shown.
  • the external force F1 is smaller than the restoring force that the shape memory member 20 tries to return to the memory shape.
  • the switch 56 of the drive circuit 52 is in the OFF state, and the shape memory member 20 is in the first phase in the soft state.
  • the shape memory member 20 is easily deformed according to the external force F1.
  • the shape memory member 20 is bent by the external force F1.
  • the induction member 30 when the switch 56 of the drive circuit 52 is switched to the on state, the induction member 30 generates heat, and the shape memory member 20 changes to the second phase that is in the hard state.
  • the shape memory member 20 tends to take a memory shape. That is, if the shape memory member 20 has a shape different from the memory shape, the shape memory member 20 attempts to return to the memory shape. Since the external force F1 is smaller than the restoring force of the shape memory member 20, the shape memory member 20 returns to the memory shape, that is, the linear shape against the external force F1.
  • FIG. 4 shows that when the external force F2 acts on the shape memory member 20 in a direction parallel to the central axis of the shape memory member 20, the hardness state of the shape memory member 20 changes according to the switching of the switch 56 of the drive circuit 52. It shows how it is done.
  • This external force F2 is smaller than the restoring force that the shape memory member 20 tries to return to the memory shape.
  • the switch 56 of the drive circuit 52 is in the OFF state, and the shape memory member 20 is in the first phase in the soft state.
  • the shape memory member 20 is easily deformed according to the external force F2.
  • the shape memory member 20 is compressed by the external force F2. In other words, the shape memory member 20 is bent, and its length, that is, the dimension along the central axis is reduced.
  • the induction member 30 when the switch 56 of the drive circuit 52 is switched to the ON state, the induction member 30 generates heat, and the shape memory member 20 changes to the second phase that is in a hard state. In this second phase, the shape memory member 20 tends to take a memory shape. Since the external force F2 is smaller than the restoring force of the shape memory member 20, the shape memory member 20 returns to the memory shape, that is, the original linear length against the external force F2.
  • FIG. 5 shows how the presence / absence of an external force is switched in the first phase where the switch 56 of the drive circuit 52 is in the OFF state and the shape memory member 20 is in the soft state. In the first phase, the shape memory member 20 is easily deformed according to an external force.
  • an external force F ⁇ b> 1 is acting in the direction perpendicular to the central axis of the shape memory member 20 near the free end of the shape memory member 20.
  • the shape memory member 20 is bent by the external force F1.
  • FIG. 6 shows a state where the hardness state of the bent shape memory member 20 is changed from the soft state to the hard state in accordance with the switching of the switch 56 of the drive circuit 52.
  • FIG. 6 shows the same state as the right side of FIG. 5, that is, the shape memory member 20 is bent by the external force F1, and then the external force F1 is removed and remains bent.
  • the induction member 30 when the switch 56 of the drive circuit 52 is switched to the ON state, the induction member 30 generates heat, and the shape memory member 20 changes to the second phase that is in the hard state.
  • the shape memory member 20 shows a tendency to take a memory shape, so that the shape memory member 20 returns to a memory shape, that is, a linear shape.
  • FIG. 7 shows a state in which the presence / absence of an external force is switched in a situation where the switch 56 of the drive circuit 52 is in the ON state and the shape memory member 20 is in the second phase in the hard state. In this second phase, the shape memory member 20 tends to take a memory shape.
  • FIG. 7 shows a state in which an external force F3 acts on a portion of the shape memory member 20 near the lower end of the induction member 30 in a direction perpendicular to the central axis of the shape memory member 20 on the left side of FIG.
  • the external force F3 is larger than the restoring force that the shape memory member 20 tries to return to the memory shape. For this reason, although the shape memory member 20 tries to return to the memory shape against the external force F3, the external force F3 exceeds the restoring force of the shape memory member 20, so the shape memory member 20 is bent by the external force F3. .
  • the external force F3 that has been acting on the shape memory member 20 until then is removed. Since the external force F3 larger than the restoring force of the shape memory member 20 is removed, the shape memory member 20 returns to the memory shape, that is, the linear shape.
  • the above-described hardness variable actuator 10 is attached to the flexible member without any restriction on both ends of the shape memory member 20.
  • the hardness variable actuator 10 is arranged with a small gap in a limited space of the flexible member such that one end or both ends of the shape memory member 20 are free ends.
  • the limited space means a space that can just accommodate the variable hardness actuator 10. Therefore, even if the deformation of one of the variable hardness actuator 10 and the flexible member is slight, it can contact the other and apply an external force.
  • the flexible member is a tube having an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the variable hardness actuator 10, and the variable hardness actuator 10 may be disposed inside the tube.
  • the present invention is not limited to this, and the flexible member only needs to have a space slightly larger than the hardness variable actuator 10.
  • variable hardness actuator 10 When the shape memory member 20 is in the first phase, the variable hardness actuator 10 provides a relatively low hardness to the flexible member, and thus an external force acting on the flexible member, that is, a force capable of deforming the shape memory member 20. Almost deforms according to.
  • variable hardness actuator 10 provides a relatively high hardness to the flexible member and deforms the external force acting on the flexible member, that is, the shape memory member 20. The tendency to return to the memory shape against the obtained force is shown.
  • the phase of the portion of the shape memory member 20 located near each inducing member 30 is switched between the first phase and the second phase by the control unit 50, whereby the hardness of the flexible member is increased.
  • the supply of current to the plurality of induction members 30 is independently switched by the control unit 50, whereby the phases of the plurality of portions of the shape memory member 20 are independently switched, and thus the hardness of the plurality of portions of the flexible member is determined. Are switched independently.
  • the hardness variable actuator 10 of this embodiment can provide a desired complicated hardness distribution to a flexible member.
  • variable hardness actuator 10 In addition to switching the hardness, under a situation in which an external force is acting on the flexible member, the variable hardness actuator 10 also functions as a bidirectional actuator that switches the shape of the flexible member. In addition, in the situation where no external force is acting on the flexible member and the flexible member is deformed in the first phase before the phase of the shape memory member 20 is switched to the second phase, It also functions as a unidirectional actuator that restores the shape of the flexible member.
  • FIG. 8 shows a hardness variable actuator according to the second embodiment.
  • members denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. 1 are similar members, and detailed description thereof is omitted.
  • explanation will be given with emphasis on the different parts. That is, the part which is not touched by the following description is the same as that of 1st embodiment.
  • the plurality of induction members 30 are disposed adjacent to each other along the longitudinal axis of the shape memory member 20.
  • the shape memory member 20 does not have a portion between the induction members 30 where no phase transition is caused. Therefore, the hardness variable actuator 10 of this embodiment can provide the flexible member with a desired complex hardness distribution that is continuous along the longitudinal axis of the shape memory member 20.
  • FIG. 9 shows a hardness variable actuator according to the third embodiment. 9, members denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. 1 are similar members, and detailed description thereof is omitted. In the following, explanation will be given with emphasis on the different parts. That is, the part which is not touched by the following description is the same as that of 1st embodiment.
  • the two adjacent induction members 30 coexist in a partial region along the longitudinal axis of the shape memory member 20. That is, the existence ranges along the longitudinal axis of the shape memory member 20 of the two adjacent induction members 30 partially overlap.
  • the shape memory member 20 does not have a portion between the induction members 30 where no phase transition is caused. Therefore, the hardness variable actuator 10 of this embodiment can provide the flexible member with a desired complex hardness distribution that is continuous along the longitudinal axis of the shape memory member 20. Furthermore, it is possible to provide the hardness of the portion of the shape memory member 20 corresponding to the overlapping range of the induction member 30 different from that of the other portions. Or it is possible to provide desired hardness to the part of the shape memory member 20 corresponding to the overlapping range of the inductive member 30 earlier than other parts.
  • FIG. 10 shows a variable hardness actuator according to the fourth embodiment.
  • members denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. 1 are similar members, and detailed description thereof is omitted.
  • explanation will be given with emphasis on the different parts. That is, the part which is not touched by the following description is the same as that of 1st embodiment.
  • the hardness variable actuator 10A of the present embodiment is similar to the hardness variable actuator 10 in that the shape memory member 20A can change phase between the first phase and the second phase, and the shape memory member 20A has the first phase and the second phase.
  • a plurality of induction members 30A that cause a phase transition between the two phases are provided.
  • shape memory member 20A Various characteristics of the shape memory member 20A are the same as those of the shape memory member 20.
  • Various characteristics of the induction member 30 ⁇ / b> A are the same as those of the induction member 30.
  • the shape memory member 20A has a pipe shape.
  • the induction member 30A has a wire shape that can be easily deformed, and extends through the inside of the shape memory member 20A. Thanks to such an arrangement, the heat generated by the induction member 30A is efficiently transmitted to the shape memory member 20A. Further, since the elastic modulus of the shape memory member 20A depends on the radial dimension, the pipe-shaped shape memory member 20A exhibits a high elastic modulus under the same volume condition as compared with the solid structure, Therefore, it provides high hardness.
  • the current supply to the plurality of induction members 30A is switched independently by the control unit 50.
  • the phases of the plurality of portions of the shape memory member 20A are switched independently, the hardness of the plurality of portions of the flexible member can be switched independently. Therefore, the hardness variable actuator 10A of this embodiment can provide a desired complicated hardness distribution to the flexible member.

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Abstract

　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複数の誘起部材（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。

Description

硬度可変アクチュエータ
　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複数の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。
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、誘起部材の下端近くの形状記憶部材の部分に外力が、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、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。
　［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複数の誘起部材３０を備えている。図１には、三つの誘起部材３０が描かれているが、誘起部材３０の個数はこれに限定されない。硬度可変アクチュエータ１０は、二つの誘起部材３０を有していてもよいし、また、四つ以上の誘起部材３０を有していてもよい。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。
　各誘起部材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は細長く、複数の誘起部材３０は、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。
　複数の誘起部材３０は、図１に描かれるように、同一構造体であってよい。しかし、これに限定されることなく、複数の誘起部材３０は、複数の異なる構造体を含んでいてもよい。異なる構造体は、たとえば、異なる長さや異なる太さや異なるピッチを有していてもよく、また、異なる材料で作られていてもよい。つまり、複数の誘起部材３０は、すべてまたはいくつかが、同じ特性を有していてもよいし、異なる特性を有していてもよい。
　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。
　硬度可変アクチュエータ１０はまた、複数の誘起部材３０を独立に駆動する制御部を備えている。制御部５０は、複数の誘起部材３０をそれぞれ駆動する複数の駆動回路５２を含んでいる。各駆動回路５２は、電源５４とスイッチ５６を含んでいる。各駆動回路５２は、対応の誘起部材３０の両端に電気的に接続されている。各駆動回路５２は、スイッチ５６のオンすなわち閉じ動作に応じて、対応の誘起部材３０に電流を供給し、また、スイッチ５６のオフすなわち開き動作に応じて、対応の誘起部材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、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、固定端近くの誘起部材３０の周辺の部分の動作について説明する。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、駆動回路５２のスイッチ５６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、駆動回路５２のスイッチ５６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、駆動回路５２のスイッチ５６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、誘起部材３０の下端近くの形状記憶部材２０の部分に外力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、駆動回路５２のスイッチ５６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、駆動回路５２のスイッチ５６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、駆動回路５２のスイッチ５６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、駆動回路５２のスイッチ５６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、駆動回路５２のスイッチ５６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、駆動回路５２のスイッチ５６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、駆動回路５２のスイッチ５６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、駆動回路５２のスイッチ５６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、駆動回路５２のスイッチ５６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、駆動回路５２のスイッチ５６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、誘起部材３０の下端近くの形状記憶部材２０の部分に外力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、各誘起部材３０の近くに位置している形状記憶部材２０の部分の相が制御部５０によって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。複数の誘起部材３０に対する電流の供給は制御部５０によって独立に切り換えられることにより、形状記憶部材２０の複数の部分の相が独立して切り換えられ、したがって、可撓性部材の複数の部分の硬度が独立して切り換えられる。これにより、本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０は、所望の複雑な硬度分布を可撓性部材に提供することが可能である。
　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。
　［第二実施形態］
　図８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８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１０では、複数の誘起部材３０は、形状記憶部材２０の長手軸に沿って隣接して配置されている。
　これにより、形状記憶部材２０は、誘起部材３０の相互間に、相の移り変わりが引き起こされない部分を有していない。したがって、本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０は、形状記憶部材２０の長手軸に沿って連続的な所望の複雑な硬度分布を可撓性部材に提供することが可能である。
　［第三実施形態］
　図９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１０では、隣り合う二つの誘起部材３０は、形状記憶部材２０の長手軸に沿った一部の領域内に共存している。つまり、隣り合う二つの誘起部材３０の形状記憶部材２０の長手軸に沿った存在範囲が部分的に重なっている。
　これにより、形状記憶部材２０は、誘起部材３０の相互間に、相の移り変わりが引き起こされない部分を有していない。したがって、本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０は、形状記憶部材２０の長手軸に沿って連続的な所望の複雑な硬度分布を可撓性部材に提供することが可能である。さらに、誘起部材３０の重複範囲に対応する形状記憶部材２０の部分に、他の部分とは異なる硬度を提供することが可能である。あるいは、誘起部材３０の重複範囲に対応する形状記憶部材２０の部分に、他の部分よりも早く所望の硬度を提供することが可能である。
　［第四実施形態］
　図１０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１０Ａ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２０Ａと、形状記憶部材２０Ａ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複数の誘起部材３０Ａを備えている。
　形状記憶部材２０Ａの諸特性は、形状記憶部材２０と同様である。また、誘起部材３０Ａの諸特性は、誘起部材３０と同様である。
　形状記憶部材２０Ａは、パイプ状である。また、誘起部材３０Ａは、容易に変形可能なワイヤ状であり、形状記憶部材２０Ａ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３０Ａによって発せられる熱は、形状記憶部材２０Ａに効率良く伝達される。また、形状記憶部材２０Ａ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２０Ａ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。
　本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ａにおいても、複数の誘起部材３０Ａに対する電流の供給は制御部５０によって独立に切り換えられる。これにより、形状記憶部材２０Ａの複数の部分の相が独立して切り換えられるため、可撓性部材の複数の部分の硬度が独立して切り換えられる。したがって、本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ａは、所望の複雑な硬度分布を可撓性部材に提供することが可能である。

Claims (5)

  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複数の誘起部材を備えている、硬度可変アクチュエータ。
  2. 　前記形状記憶部材は細長く、前記複数の誘起部材は、前記形状記憶部材の長手軸に沿って間隔を置いて配置されている、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
  3. 　前記形状記憶部材は細長く、前記複数の誘起部材は、前記形状記憶部材の長手軸に沿って隣接して配置されている、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
  4. 　前記形状記憶部材は細長く、隣り合う二つの誘起部材は、前記形状記憶部材の長手軸に沿った一部の領域内に共存している、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
  5. 　前記複数の誘起部材を独立に駆動する制御部をさらに備えている、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
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