WO2019230103A1 - アクチュエータ装置、アクチュエータバンド及びアクチュエータバンドの製造方法 - Google Patents

アクチュエータ装置、アクチュエータバンド及びアクチュエータバンドの製造方法 Download PDF

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金子　由利子
牧 平岡
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N10/00—Electric motors using thermal effects

Definitions

  • the present invention relates to an actuator device, an actuator band, and a method for manufacturing the actuator band.
  • Patent Document 1 discloses coiled and non-coiled nanofiber twisted yarn, polymer fiber twist and tension actuator.
  • Non-patent Documents 1 and 2 disclose coiled polymer fibers formed from linear low density polyethylene. According to Non-Patent Documents 1 and 2, the coiled polymer fiber is shrunk by heating and restored by heat dissipation.
  • Patent Document 2 discloses an actuator that can contract in the axial direction.
  • Patent Document 1 discloses an example in which a plurality of coiled polymer fibers are arranged to obtain an arbitrary generated force.
  • Maki Hiraoka et al. "High stretchability and polymer chain morphology of coiled polymer actuators", 24th Polymer Materials Forum Lecture Proceedings, Vol. 24, 39 (Released on November 15, 2015) Maki Hiraoka et. Al. "Power-efficient low-temperature Woven coiled fiber actuator for wearable applications", Scientific Reports volume 6, Article number: 16358 (16358)
  • the present invention provides an actuator device, an actuator band, and an actuator band manufacturing method that can stably operate while suppressing an increase in the resistance value of the heating wire in repeated operations.
  • an actuator device includes an actuator band and a control device, and the actuator band includes a plurality of actuator wires and a plurality of heating wires.
  • the actuator band includes a plurality of actuator wires and a plurality of heating wires.
  • Each is formed from a polymer fiber, the fiber is twisted around its long axis, the fiber is folded to have the shape of a cylindrical coil, and a plurality of actuator wires Each of these is shrunk by heating and restored by heat dissipation, and any one of a braid, a woven fabric and a knitted fabric is formed by a plurality of actuator wires and a plurality of heating wires, and the plurality of actuator wires are arranged in a plane.
  • one end of each of the plurality of heating wires has a plurality of actuators.
  • the other end of each of the plurality of heating wires is joined to the other end of each of the plurality of actuator wires at the other end of the actuator band.
  • the actuator band includes a plurality of actuator wires and a plurality of heating wires, and each of the plurality of actuator wires is formed of a polymer fiber, and the fiber has a long axis thereof.
  • the fibers are folded to have the shape of a cylindrical coil, and each of the plurality of actuator wires is shrunk by heating and restored by heat dissipation, and the plurality of actuator wires and One of a braid, a woven fabric, and a knitted fabric is formed by the plurality of heating wires, the plurality of actuator wires are arranged in parallel in a planar shape, and one end of each of the plurality of heating wires is a plurality of actuators. Bonded to one end of each wire, the other end of each of the plurality of heating wires is in contact with the other end of each of the plurality of actuator wires. It is.
  • any one of a braid, a woven fabric, and a knitted fabric is formed by a plurality of actuator wires and a plurality of heating wires that are contracted by heating and restored by heat dissipation.
  • Each of the plurality of actuator wires is formed from a fiber made of a polymer, and the fiber is twisted around its long axis to form a cylindrical coil shape.
  • the plurality of actuator wires are arranged in parallel in a planar shape.
  • an actuator device an actuator band, and an actuator band manufacturing method that can stably operate while suppressing an increase in the resistance value of the heating wire in repeated operations.
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing an actuator device 60 according to the embodiment.
  • the actuator device 60 according to the embodiment includes an actuator band 1 and a control device 5.
  • the actuator band 1 includes a plurality of actuator wires 11 and a plurality of heating wires 21.
  • the terms “actuator wire 11” and “heating wire 21” used in the present specification correspond to the terms “fiber” and “temperature control device” used in Patent Document 3, respectively.
  • the actuator wire 11 can be composed of a coiled polymer fiber 111 (see FIG. 2) formed of linear low density polyethylene. The actuator wire 11 is contracted by heating and restored by heat dissipation.
  • the actuator wire 11 when the actuator wire 11 applied with a load of 10 MPa at one end thereof is heated to 90 degrees Celsius, the actuator wire 11 contracts by about 23%. When the actuator wire 11 is cooled to room temperature, the actuator wire 11 is restored to its original length. As disclosed in Patent Document 3, the actuator wire 11 can be heated to a temperature of, for example, 30 degrees Celsius or more and 100 degrees Celsius or less.
  • the material of the coiled polymer fiber 111 is not limited to linear low density polyethylene, and may be a polymer.
  • the material of the coiled polymer fiber 111 include polyethylene (for example, low density polyethylene or high density polyethylene), nylon (for example, nylon 6, nylon 6, 6, nylon 12), polyester, or elastomer (for example, , Silicon rubber).
  • polyethylene for example, low density polyethylene or high density polyethylene
  • nylon for example, nylon 6, nylon 6, 6, nylon 12
  • polyester for example, polyester 6, or elastomer (for example, , Silicon rubber).
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the actuator wire 11 according to the embodiment.
  • the actuator wire 11 can be composed of at least one coiled polymer fiber 111.
  • the actuator wire 11 is composed of two coiled polymer fibers 111 integrated so as to be twisted together.
  • the actuator wire 11 can be composed of two or more coiled polymer fibers 111 that are twisted and twisted around the major axis.
  • the actuator wire 11 twists two or more coiled polymer fibers 111 so that the side surface of another twisted coiled polymer fiber 111b is in contact with the side surface of one twisted coiled polymer fiber 111a. Can be formed.
  • the coiled polymer fibers 111a and 111b are each folded so as to have a cylindrical coil shape.
  • the coiled polymer fiber 111 satisfies the following formula (I).
  • D represents the average diameter of the cylindrical coil of the coiled polymer fiber 111
  • d represents the diameter of the coiled polymer fiber 111. Because of this relationship, the displacement rate of the actuator wire 11 can be increased.
  • the average diameter D is obtained by subtracting the diameter d of the coiled polymer fiber 111 from the outer diameter D1 of the cylindrical coil.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the heating wire 21 according to the embodiment.
  • the heating wire 21 includes a non-conductive elastic yarn 51 serving as a core yarn, and a metal wire 52 covered around the elastic yarn 51.
  • the heating wire 21 is manufactured by a known covering processing machine using the elastic yarn 51 as a core yarn and the metal wire 52 as a sheath yarn.
  • the cover ring means that the metal wire 52 is wound around the elastic yarn 51 in the S direction or the Z direction.
  • the heating wire 21 in which the metal wire 52 is wound around the elastic yarn 51 is referred to as a single covering heating wire. Note that the metal wire 52 alone may be used as the heating wire 21.
  • the actuator band 1 includes a plurality of heating wires 21 and a plurality of actuator wires 11.
  • Each heating wire 21 forms a stitch by a flat string.
  • An actuator wire 11 is arranged between the groups. This arrangement is generally referred to as call rubber or rubber strap. See Patent Document 4 for details of the configuration of the rubber cord.
  • the plurality of heating wires 21 form a group by crossing each other, and expand and contract when the group changes.
  • each actuator wire 11 is arranged linearly in a set formed by the heating wire 21.
  • Each actuator wire 11 is arranged in parallel to each other.
  • a braid is formed by the plurality of actuator wires 11 and the plurality of heating wires 21 arranged in parallel in a planar shape. Since the actuator band 1 has such a structure, each actuator wire 11 contracts when heated by the heating wire 21 that is a heat source.
  • FIG. 1A shows a case where eight actuator wires 11 (two-dot chain lines in FIG. 1A) constituting one actuator band 1 are arranged in parallel. In this example, 17 heating wires 21 constituting one actuator band 1 are used.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing the actuator band 1 according to the embodiment. Specifically, FIG. 1B is a cross-sectional view of the cut surface including the line 1B-1B shown in FIG. 1A. In FIG. 1B, for convenience, one actuator wire 11 is illustrated by one circle.
  • the three heating wires 21 are arranged almost evenly around each actuator wire 11. For this reason, the contacts between the heating wires 21 are less likely to concentrate, and a local increase in resistance can be prevented.
  • the heating wire 21 between the two actuator wires 11 is used in common by these two actuator wires 11. For this reason, the number of heating wires 21 can be reduced and the actuator wires 11 can be heated more efficiently than when three heating wires 21 are provided for each actuator wire 11.
  • a first connector 4 a is provided at one end of the actuator band 1.
  • One end of the actuator band 1 is crimped by the first connector 4a.
  • one end of each of the plurality of heating wires 21 is joined to one end of each of the plurality of actuator wires 11.
  • a second connector 4b is provided on the other end of the actuator band 1.
  • the other end of the actuator band 1 is crimped by a second connector 4b.
  • the other end of each of the plurality of heating wires 21 is joined to the other end of each of the plurality of actuator wires 11.
  • the first connector 4a and the second connector 4b are electrically connected to the control device 5 via electric wires, respectively.
  • the first connector 4a and the second connector 4b are, for example, crimp terminals.
  • the crimp terminal include a fork crimp terminal and a ring crimp terminal.
  • the crimp terminal is preferably made of metal. Thereby, the heat from the heating wire 21 can be radiated by the first connector 4a and the second connector 4b.
  • the control device 5 supplies power to the plurality of heating wires 21 and heats each heating wire 21.
  • the control device 5 can include a power source for supplying power to the plurality of heating wires 21.
  • the electric power supplied to the plurality of heating wires 21 is alternating current or direct current.
  • the control device 5 can further include a switch. While the switch is on, power is supplied to the plurality of heating wires 21. When the switch is off, power is not supplied to the plurality of heating wires 21.
  • the plurality of actuator wires 11 and the plurality of heating wires 21 described above are set on a well-known flat stringing machine.
  • the plurality of heating wires 21 are wound with sufficient tension applied to the plurality of bobbins provided in the flat stringing machine.
  • the actuator band 1 is formed by assembling a plurality of heating wires 21 around the plurality of actuator wires 11 by moving the flat stringing machine.
  • each actuator wire 11 is disposed between the bobbins in a state where a sufficient tension is applied in order to obtain a configuration of a coal rubber. For this reason, each actuator wire 11 and each heating wire 21 are wound up while being assembled by a flat stringing machine to form an actuator band 1.
  • a round punched string assembles a plurality of wires in an even number of bobbins in a cylindrical shape
  • a flat punched string assembles a plurality of wires in an odd number of bobbins in a strip shape
  • the even number of bobbins may include empty bobbins.
  • the odd number of bobbins may include empty bobbins.
  • the number of actuator wires 11 can be selected in accordance with the amount of work required for the actuator device 60. It is also possible to assemble a plurality of wires using a bobbin around which a dummy wire is wound instead of the empty bobbin. In this case, it is possible to form a uniform set, that is, a uniform set.
  • the dummy wire should be as thin as possible. As the dummy wire becomes thinner, the work loss of the actuator band 1 due to the dummy wire can be reduced.
  • the actuator band 1 is cut to a desired length.
  • the actuator band 1 is such that the length along the first direction from one end to the other end of the actuator band 1 is longer than the length (width) in the second direction orthogonal to the first direction. Is disconnected. That is, the first direction is the longitudinal direction of the actuator band 1. The second direction is the short direction of the actuator band 1. The first direction is also the axial direction of each actuator wire 11.
  • a first connector 4a and a second connector 4b are attached to both ends of the actuator band 1 cut to a desired length.
  • the first connector 4a and the second connector 4b are electrically connected to the control device 5 via electric wires, respectively. Thereby, the actuator device 60 is assembled.
  • a weight 6 is connected to the second connector 4 b on one end side of the actuator band 1 via a wire W.
  • a predetermined tension is applied to the actuator band 1 by the weight 6, and the actuator band 1 becomes tight.
  • the actuator band 1 is given a tension along the first direction by the weight 6.
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing a state where the heating wire 21 is not heated in the actuator band 1 according to the embodiment.
  • FIG. 4B is a schematic diagram illustrating a state where the heating wire 21 is heated in the actuator band 1 according to the embodiment.
  • the heating wire 21 when the heating wire 21 is heated, the plurality of actuator wires 11 of the actuator band 1 are contracted by heating. Following this contraction, the group formed by the plurality of heating wires 21 is deformed and contracts in the first direction. For this reason, the length L1 of the actuator band 1 in the first direction is shorter than the length L0.
  • the actuator band 1 expands and contracts due to deformation of the assembly formed by the plurality of heating wires 21, contraction due to heating of the actuator wire 11, and restoration due to heat dissipation. For this reason, the expansion / contraction movement of the actuator wire 11 is not hindered at the point where the heating wires 21 intersect each other.
  • the heating wire 21 in order for each heating wire 21 to uniformly deform following the expansion and contraction of the actuator wire 11, it is desirable that the heating wire 21 has low rigidity and elasticity.
  • the initial tension applied to the actuator band 1 is smaller and the contraction rate of the actuator band 1 is better. It is desirable to configure the actuator band 1 so as to stabilize the expansion and contraction operation due to repeated heating and heat dissipation.
  • the present inventors obtained a coiled polymer fiber 111.
  • the present inventors twisted the two coiled polymer fibers 111 to manufacture the actuator wire 11 (see FIG. 2).
  • the actuator wire 11 is composed of two coiled polymer fibers 111 twisted together.
  • the side surface of one twisted coiled polymer fiber 111a was in contact with the side surface of another twisted coiled polymer fiber 111b.
  • heating wire 21 A monofilament made of polyester (manufactured by Toray Industries, Inc., fiber thickness: 10 denier) was used as the elastic yarn 51.
  • a stainless steel wire (Nippon Seisen Co., Ltd., trade name “stainless steel wire”, material “SUS 316L”, diameter “0.030 mm”) was used as the metal wire 52 (sheath thread).
  • a metal wire 52 was assembled in S twist (twist number: 2950 T / m).
  • the present inventors manufactured the heating wire 21.
  • actuator band 1 having a structure of coal rubber (or rubber string) was manufactured. Eight actuator wires 11 and 17 heating wires 21 were used. 8 actuator wires 11 are lined up, and a flat stringing machine is used to draw a loop in which the number “8” is continuously connected vertically using 17 heating wires 21 between them. As a result, an actuator band 1 was obtained. The length of the actuator band 1 in the first direction was about 60 mm. A first connector 4a is attached to one end of the actuator band 1, and a second connector 4b is attached to the other end.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a test apparatus 100 used for the heating test. As shown in FIG. 5, the test apparatus 100 includes a fixed plate 7, a pulley 31, a mirror 32, a radiation thermometer 15, and a laser displacement meter 14.
  • the first connector 4 a was fixed using a fixing plate 7.
  • the pulley 31 is a pulley that guides the wire W attached to the second connector 4 b on the other end side of the actuator band 1.
  • the actuator band 1 is arranged substantially horizontally by the fixing plate 7 and the pulley 31.
  • a 500 g weight 6 is attached to the wire W, for example. Due to the initial tension by the weight 6, the actuator band 1 is in an extended state (see, for example, FIG. 4A).
  • the second connector 4 b of the actuator band 1 is movable along the first direction based on the expansion and contraction of the actuator band 1.
  • the mirror 32 is attached to the second connector 4b of the actuator band 1, and moves in the first direction in conjunction with the movement of the second connector 4b.
  • the mirror surface of the mirror 32 is provided along a direction orthogonal to the first direction, and a laser displacement meter 14 (trade name “LK-080” manufactured by Keyence Corporation) is disposed at a position facing the mirror surface of the mirror 32. It had been.
  • the laser displacement meter 14 measures the displacement of the second connector 4b by irradiating the mirror 32 with laser light and detecting the laser light reflected by the mirror 32. That is, the laser displacement meter 14 measures the displacement of the actuator band 1.
  • the radiation thermometer 15 is disposed at a position where infrared or visible light emitted from the actuator band 1 can be detected, and measures the temperature of the actuator band 1 based on the detected infrared or visible light.
  • a product name “FSV-210” manufactured by Apiste was used as the radiation thermometer 15 .
  • the inventors applied a current of 380 mA and a power of 1.8 W to the heating wire 21 using the control device 5 for 12 seconds. In this way, the actuator band 1 was heated. At this time, the temperature of the side surface of the actuator band 1 reached approximately 70 degrees Celsius. Due to this heating, the actuator band 1 contracted in the first direction.
  • the side surface of the actuator band 1 was naturally cooled to 30 degrees Celsius or less. Due to this heat dissipation, the actuator band 1 was extended and restored in the first direction. As the actuator band 1 contracted and restored, the mirror 32 vibrated in the first direction. The vibration of the actuator band 1 was measured by the laser displacement meter 14 measuring this vibration.
  • FIG. 6 is a graph showing the shrinkage rate and temperature change of the actuator band 1 according to the example.
  • the shrinkage rate C is defined by the following mathematical formula (II).
  • L0 is the length of the actuator band 1 to which the initial tension before heating is applied (see FIG. 4A).
  • L1 is the length of the actuator band 1 during heating (see FIG. 4B).
  • the actuator band 1 was subjected to a durability test in which heating and cooling were repeated.
  • the weight 6 had a weight of 500 g, and a current to the heating wire 21 was applied at 330 mA for 25 seconds.
  • the actuator band 1 was cooled by a cooling fan for 25 seconds. Cooling was accelerated with a fan, and the temperature of the side surface of the actuator band 1 became 30 degrees Celsius or less. This repetition was performed 14500 times.
  • FIG. 7A is a graph showing a relationship between a change in resistance value of the actuator band 1 and the number of repetitions according to the example.
  • the change in resistance value was 120% or less in the actuator band 1 according to the example.
  • FIG. 8A is a schematic diagram illustrating an actuator band 40 according to a comparative example.
  • FIG. 9 is a front view showing an actuator single line 41 provided in the actuator band 40 according to the comparative example.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view showing an actuator band 40 according to a comparative example.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of a cut surface including a line 8B-8B shown in FIG. 8A.
  • one actuator wire 11 is illustrated by one circle.
  • the same parts as those in the above embodiment may be denoted by the same reference numerals and description thereof may be omitted.
  • the actuator band 40 is formed by assembling a plurality of actuator single wires 41.
  • the actuator single wire 41 is formed by arranging four heating wires 21 assembled in a mesh pattern around the actuator wire 11. Specifically, the actuator single wire 41 is formed by coating the four heating wires 21 in a net shape around the actuator wire 11 by a process called a round string.
  • the actuator band 40 is formed by assembling nine actuator single wires 41 by a process called a flat string. Since the actuator band 40 has nine actuator single wires 41, the entire actuator band 40 is provided with 36 heating wires 21. The length of the actuator band 40 in the first direction is about 70 mm. A first connector 4a is attached to one end of the actuator band 40, and a second connector 4b is attached to the other end.
  • the durability test of repeating heating and cooling was performed on the actuator band 40 in the same manner as in the example.
  • the weight of the weight 6 was set to 500 g, and a current to the heating wire 21 was applied at 470 mA for 30 seconds.
  • the actuator band 40 was cooled by a cooling fan for 25 seconds. Cooling was accelerated with a fan, and the temperature of the side surface of the actuator band 1 became 30 degrees Celsius or less. This repetition was performed 14500 times.
  • FIG. 7B is a graph showing the relationship between the change in the resistance value of the actuator band 40 according to the comparative example and the number of repetitions. As shown in FIG. 7B, in the actuator band 40 according to the comparative example, the resistance value change exceeded 140%.
  • the actuator band 1 according to the example is more suppressed in change in resistance value than the actuator band 40 according to the comparative example.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an actuator band 1A according to the first modification.
  • each heating wire 21 has a rectangular wave shape, and the plurality of heating wires 21 are knitted so as to have a net shape.
  • a plurality of actuator wires 11a are arranged in parallel in a planar shape with respect to each knitted heating wire 21.
  • each actuator wire 11a is inserted in parallel to each heating wire 21 from the side (upper or lower in FIG. 10).
  • the actuator wires 11a are arranged in a planar shape with respect to a single knitted fabric composed of a plurality of heating wires 21.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an actuator band 1B according to the second modification.
  • each heating wire 21a, 21b has the shape of an elongate plate (namely, strip
  • Each heating wire 21a, 21b is woven in a lattice shape.
  • a plurality of actuator wires 11b are arranged in parallel to each other on the woven heating wires 21a and 21b. Specifically, each actuator wire 11b is inserted in parallel with each heating wire 21a, 21b from the side (upper or lower in FIG. 11). Thereby, each actuator wire 11b is arrange
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing an actuator band 1 ⁇ / b> C according to the third modification.
  • the actuator band 1 ⁇ / b> C according to Modification 3 is formed of a pair of actuator wires 11 and five heating wires 21.
  • the three heating wires 21 are arranged substantially evenly around each actuator wire 11. For this reason, the contacts between the heating wires 21 are less likely to concentrate, and a local increase in resistance can be prevented.
  • the heating wire 21 between the pair of actuator wires 11 is used in common by the pair of actuator wires 11. For this reason, the number of heating wires 21 can be reduced and the actuator wires 11 can be heated more efficiently than when three heating wires 21 are provided for each actuator wire 11.
  • the present invention can be applied to an actuator device used as an artificial muscle.
  • the actuator device 60 includes the actuator band 1 and the control device 5, and the actuator band 1 includes the plurality of actuator wires 11 and the plurality of heating wires 21, and includes the plurality of actuator wires.
  • Each of 11 is formed from a polymer fiber (coiled polymer fiber 111), and the fiber is twisted along its long axis so that the fiber has a shape of a cylindrical coil.
  • Each of the plurality of actuator wires 11 is folded by heating and restored by heat dissipation, and any one of a braid, a woven fabric, and a knitted fabric is formed by the plurality of actuator wires 11 and the plurality of heating wires 21.
  • the plurality of actuator wires 11 are arranged in a plane, and one of the actuator bands 1 Then, one end of each of the plurality of heating wires 21 is joined to one end of each of the plurality of actuator wires 11, and the other end of each of the plurality of heating wires 21 is connected to one end of each of the plurality of actuator wires 11. 11, the controller 5 is used to supply electric power for heating each of the plurality of heating wires 21 to each of the plurality of heating wires 21, and the actuator band 1 is The actuator band 1 is contracted along the first direction by being heated in a state where tension is applied along the first direction from one end to the other end of the actuator band 1.
  • the actuator band 1 includes a plurality of actuator wires 11 and a plurality of heating wires 21, and each of the plurality of actuator wires 11 is formed from a polymer fiber (coiled polymer fiber 111). The fibers are twisted around their long axis, the fibers are folded to have the shape of a cylindrical coil, each of the plurality of actuator wires 11 is shrunk by heating, and One of a braid, a woven fabric, and a knitted fabric is formed by the plurality of actuator wires 11 and the plurality of heating wires 21, and the plurality of actuator wires 11 are arranged in a planar shape. One end of each of the heating wires 21 is joined to one end of each of the plurality of actuator wires 11, and the plurality of heating wires 1 of each of the other end is joined to the other end of each of the plurality of actuators wires 11.
  • the manufacturing method of the actuator band 1 which concerns on embodiment forms any one of a braid, a woven fabric, and a knitted fabric by the several actuator wire 11 and the several heating wire 21 which shrink
  • the actuator band 1 is formed, and each of the plurality of actuator wires 11 is formed of a polymer fiber (coiled polymer fiber 111), and the fiber is twisted along its long axis. It is folded so as to have the shape of a cylindrical coil, and the plurality of actuator wires 11 are arranged in parallel in a planar shape.
  • each actuator wire A plurality of heating wires 21 can be arranged substantially evenly around 11. Thereby, the contacts between the heating wires 21 are less likely to concentrate, and a local increase in resistance can be prevented. Therefore, an increase in the resistance value of the heating wire 21 can be suppressed in repeated operations, and the actuator device 60 can be operated stably.
  • Each of the plurality of heating wires 21 includes a non-conductive elastic thread 51 and a metal wire 52, and the metal wire 52 is wound around the elastic thread 51 in a spiral shape.
  • the heating wire 21 in which the metal wire 52 is wound around the elastic yarn 51 is used, the contact area between the metal wire 52 and the actuator wire 11 can be increased, and the thermal efficiency can be increased.
  • the actuator band 1 includes a first connector 4a and a second connector 4b, and one end of each of the plurality of heating wires 21 is bonded to one end of each of the plurality of actuator wires 11 by the first connector 4a. The other end of each of the plurality of heating wires 21 is joined to the other end of each of the plurality of actuator wires 11 by the second connector 4b.
  • one end of the plurality of heating wires 21 and the plurality of actuator wires 11 is joined by the first joining tool 4a, and the other ends of the plurality of heating wires 21 and the plurality of actuator wires 11 are joined by the second joining tool 4b.
  • the first connector 4a and the second connector 4b are made of metal, the heat from the heating wire 21 can be radiated by the first connector 4a and the second connector 4b.
  • the fiber is made of linear low density polyethylene and satisfies the following formula (I).
  • D represents the average diameter of the cylindrical coil
  • d represents the diameter of the fiber
  • the plurality of heating wires 21 is a braid
  • the plurality of heating wires may be woven or knitted.
  • the actuator band 1 is manufactured by collectively assembling the plurality of actuator wires 11 together with the plurality of heating wires 21 .
  • the actuator band 1 may be formed by inserting a plurality of actuator wires 11 into the assembly after forming the assembly in advance with the plurality of heating wires 21. This is the same even when the plurality of heating wires 21 are woven fabric or knitted fabric.
  • the case where the plurality of actuator wires 11 are arranged in parallel is illustrated.
  • the plurality of actuator wires may be arranged non-parallel to each other or may intersect each other.
  • the width may be greater than or equal to the length in the first direction.
  • the embodiment can be realized by arbitrarily combining the components and functions in each embodiment without departing from the scope of the present invention, or a form obtained by subjecting each embodiment to various modifications conceived by those skilled in the art. Forms are also included in the present invention.

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Abstract

繰り返し動作において、電熱線の抵抗値の上昇を抑えて、アクチュエータ装置を安定的に動作させるために、本開示によるアクチュエータバンド（１）は、複数のアクチュエータワイヤ（１１）及び複数の電熱線（２１）を具備し、複数のアクチュエータワイヤ（１１）の各々は、高分子からなる繊維（１１１））から形成され、繊維は、その長軸の周りに沿って捻られており、繊維は、円筒状のコイルの形状を有するように折りたたまれており、複数のアクチュエータワイヤ（１１）の各々は、加熱により縮み、かつ放熱により復元し、平面状に配列された複数のアクチュエータワイヤ（１１）及び複数の電熱線（２１）によって組物が形成されており、複数の電熱線（２１）の各々の一端は、複数のアクチュエータワイヤ（１１）の各々の一端に接合されており、複数の電熱線（２１）の各々の他端は、複数のアクチュエータワイヤ（１１）の各々の他端に接合されている。

Description

アクチュエータ装置、アクチュエータバンド及びアクチュエータバンドの製造方法
　本発明は、アクチュエータ装置、アクチュエータバンド及びアクチュエータバンドの製造方法に関する。
　特許文献１は、コイル状及び非コイル状ナノファイバー撚糸、ポリマーファイバーのねじり及び引張アクチュエータを開示している。平岡牧らは、非特許文献１及び２において、直鎖状低密度ポリエチレンから形成されているコイル状ポリマー繊維を開示している。非特許文献１及び２によれば、当該コイル状ポリマー繊維は、加熱により縮み、かつ放熱により復元する。特許文献２は、軸方向に収縮可能なアクチュエータを開示している。また、特許文献１は、コイル状ポリマー繊維を複数並べて任意の発生力を得る例を開示している。
国際公開第２０１４／０２２６６７号 米国特許第４７３３６０３号明細書 特許第６１１１４３８号公報 特開２００７－１６３２７号公報
平岡牧ら、「コイル状ポリマーアクチュエータの高伸縮性とポリマー鎖のモルフォロジー」、第２４回ポリマー材料フォーラム講演予稿集、第２４巻、第３９頁（公開日：２０１５年１１月１５日） Ｍａｋｉ　Ｈｉｒａｏｋａ　ｅｔ．　ａｌ．　"Ｐｏｗｅｒ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗｏｖｅｎ　ｃｏｉｌｅｄ　ｆｉｂｒｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｆｏｒ　ｗｅａｒａｂｌｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｒｅｐｏｒｔｓ　ｖｏｌｕｍｅ　６，　Ａｒｔｉｃｌｅ　ｎｕｍｂｅｒ：　３６３５８　（２０１６）
　本発明は、繰り返し動作において、電熱線の抵抗値の上昇を抑えて安定的に動作することができるアクチュエータ装置、アクチュエータバンド及びアクチュエータバンドの製造方法を提供する。
　上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るアクチュエータ装置は、アクチュエータバンド及び制御装置を具備し、アクチュエータバンドは、複数のアクチュエータワイヤ及び複数の電熱線を具備し、複数のアクチュエータワイヤの各々は、高分子からなる繊維から形成され、繊維は、その長軸の周りに沿って捻られており、繊維は、円筒状のコイルの形状を有するように折りたたまれており、複数のアクチュエータワイヤの各々は、加熱により縮み、かつ放熱により復元し、複数のアクチュエータワイヤ及び複数の電熱線によって、組物、織物及び編物のいずれか一つが形成されており、複数のアクチュエータワイヤは平面状に並列に配置されており、アクチュエータバンドの一端では、複数の電熱線の各々の一端が複数のアクチュエータワイヤの各々の一端に接合されており、アクチュエータバンドの他端では、複数の電熱線の各々の他端が前記複数のアクチュエータワイヤの各々の他端に接合されており、制御装置は、複数の電熱線の各々を加熱するための電力を複数の電熱線の各々に供給するために用いられ、アクチュエータバンドは、当該アクチュエータバンドの一端から他端までの第一方向に沿って張力が印加された状態で加熱されることにより、第一方向に沿って収縮する。
　また、本発明の一態様に係るアクチュエータバンドは、複数のアクチュエータワイヤ及び複数の電熱線を具備し、複数のアクチュエータワイヤの各々は、高分子からなる繊維から形成され、繊維は、その長軸の周りに沿って捻られており、繊維は、円筒状のコイルの形状を有するように折りたたまれており、複数のアクチュエータワイヤの各々は、加熱により縮み、かつ放熱により復元し、複数のアクチュエータワイヤ及び複数の電熱線によって、組物、織物及び編物のいずれか一つが形成されており、複数のアクチュエータワイヤは平面状に並列に配置されており、複数の電熱線の各々の一端は、複数のアクチュエータワイヤの各々の一端に接合されており、複数の電熱線の各々の他端は、複数のアクチュエータワイヤの各々の他端に接合されている。
　また、本発明の一態様に係るアクチュエータバンドの製造方法は、加熱により縮み、かつ放熱により復元する複数のアクチュエータワイヤ及び複数の電熱線によって、組物、織物及び編物のいずれか一つを形成することでアクチュエータバンドを形成する工程を含み、複数のアクチュエータワイヤの各々は、高分子からなる繊維から形成され、繊維は、その長軸の周りに沿って捻られており、円筒状のコイルの形状を有するように折りたたまれており、複数のアクチュエータワイヤは平面状に並列に配置されている。
　本発明によれば、繰り返し動作において、電熱線の抵抗値の上昇を抑えて安定的に動作可能なアクチュエータ装置、アクチュエータバンド及びアクチュエータバンドの製造方法を提供することができる。
実施の形態に係るアクチュエータ装置を示す模式図である。 実施の形態に係るアクチュエータバンドを示す断面図である。 実施の形態に係るアクチュエータワイヤを示す模式図である。 実施の形態に係る電熱線を示す断面図である。 実施の形態に係るアクチュエータバンドにおいて、電熱線に対する加熱がない状態を示す模式図である。 実施の形態に係るアクチュエータバンドにおいて、電熱線に対する加熱がある状態を示す模式図である。 加熱試験に用いられる試験装置の模式図である。 実施例に係るアクチュエータバンドの収縮率及び温度の時間変化を示すグラフである。 実施例に係るアクチュエータバンドの抵抗値変化と繰り返し回数との関係を示すグラフである。 比較例に係るアクチュエータバンドのそれぞれの抵抗値変化と繰り返し回数との関係を示すグラフである。 比較例に係るアクチュエータバンドを示す模式図である。 比較例に係るアクチュエータバンドを示す断面図である。 比較例に係るアクチュエータバンドを構成するアクチュエータ単線を示す正面図である。 変形例１に係るアクチュエータバンドを示す模式図である。 変形例２に係るアクチュエータバンドを示す模式図である。 変形例３に係るアクチュエータバンドを示す断面図である。
　以下、本発明の実施形態が図面を参照しながら詳細に説明される。
　図１Ａは、実施の形態に係るアクチュエータ装置６０を示す模式図である。図１Ａに示すように、実施の形態に係るアクチュエータ装置６０は、アクチュエータバンド１及び制御装置５を具備している。アクチュエータバンド１は、複数のアクチュエータワイヤ１１及び複数の電熱線２１を具備している。
　［アクチュエータワイヤ］
　アクチュエータワイヤ１１の詳細は、本特許出願に先行する特許文献３を参照されたい。特許文献３（すなわち、特許第６１１１４３８号）及び特許文献３に対応する米国特許出願公開第２０１５／２４５１４５号明細書は、本願に参照として援用される。また、アクチュエータワイヤ１１については、非特許文献１に開示されている。
　本明細書において用いられる用語「アクチュエータワイヤ１１」及び「電熱線２１」は、それぞれ、特許文献３において用いられる用語「繊維」及び「温度調節装置」に対応する。当該特許文献３に開示されているように、アクチュエータワイヤ１１は、直鎖状低密度ポリエチレンから形成されたコイル状ポリマー繊維１１１（図２参照）から構成され得る。アクチュエータワイヤ１１は、加熱により縮み、かつ放熱により復元する。
　一例として、１０ＭＰａの加重をその一端に印加されたアクチュエータワイヤ１１が摂氏９０度に加熱されると、アクチュエータワイヤ１１は２３％ほど縮む。アクチュエータワイヤ１１が室温まで冷却されると、アクチュエータワイヤ１１は元の長さになるように復元する。特許文献３にも開示されているように、アクチュエータワイヤ１１は、例えば、摂氏３０度以上摂氏１００度以下の温度に加熱され得る。なお、コイル状ポリマー繊維１１１の材質は、直鎖状低密度ポリエチレンに限られず、高分子でもよい。
　コイル状ポリマー繊維１１１の材質のその他の例は、ポリエチレン（例えば、低密度ポリエチレン、または、高密度ポリエチレン）、ナイロン（例えば、ナイロン６、ナイロン６，６、ナイロン１２）、ポリエステル、またはエラストマー（例えば、シリコンゴム）でもよい。
　図２は、実施の形態に係るアクチュエータワイヤ１１を示す模式図である。アクチュエータワイヤ１１は、少なくとも１本のコイル状ポリマー繊維１１１から構成され得る。例えば、図２では、アクチュエータワイヤ１１は、互いに撚り合わされるように一体化された２本のコイル状ポリマー繊維１１１から構成されている。具体的には、アクチュエータワイヤ１１は、互いに長軸の周りに沿って捻じられて撚り合わされた２本以上のコイル状ポリマー繊維１１１から構成され得る。言い換えれば、アクチュエータワイヤ１１は、捻られた１本のコイル状ポリマー繊維１１１ａの側面に捻られた他のコイル状ポリマー繊維１１１ｂの側面が接するように、２本以上のコイル状ポリマー繊維１１１を捻ることで形成され得る。このため、コイル状ポリマー繊維１１１ａ、１１１ｂは、それぞれ円筒状のコイルの形状を有するように折りたたまれている。
　ここで、特許文献３にも記載されているように、コイル状ポリマー繊維１１１は、以下の式（Ｉ）を満たしている。
　Ｄ／ｄ＜１　　　（Ｉ）
　ここで、Ｄは、コイル状ポリマー繊維１１１の円筒状のコイルの平均直径を表し、ｄはコイル状ポリマー繊維１１１の直径を表している。この関係性であるために、アクチュエータワイヤ１１の変位率を高くすることができる。平均直径Ｄは、円筒状のコイルの外径Ｄ１からコイル状ポリマー繊維１１１の直径ｄを減算することにより得られる。
　［電熱線］
　図３は、実施の形態に係る電熱線２１を示す断面図である。図３に示すように、電熱線２１は、芯糸となる非導電性の弾性糸５１と、弾性糸５１の周囲にカバーリングされた金属ワイヤ５２とを備えている。具体的には、電熱線２１は、弾性糸５１を芯糸、金属ワイヤ５２を鞘糸として、周知のカバーリング加工機によって製造される。ここで、カバーリングとは、弾性糸５１に対して金属ワイヤ５２をＳ方向またはＺ方向に巻きつけることを言う。本実施の形態のように、金属ワイヤ５２が弾性糸５１に対して一重に巻かれている電熱線２１は、シングルカバーリング電熱線と称される。なお、金属ワイヤ５２単体を電熱線２１として用いてもよい。
　［アクチュエータバンド］
　図１Ａに示すように、アクチュエータバンド１は、複数の電熱線２１及び複数のアクチュエータワイヤ１１を具備している。各電熱線２１が平打ち製紐により組目を形成している。組目の間にアクチュエータワイヤ１１が配置されている。当該配置は、一般的にコールゴムまたはゴム紐と称される。ゴム紐の構成の詳細については特許文献４を参照されたい。複数の電熱線２１は互いに交差することで組目を形成し、組目が変化することで伸縮する。一方、各アクチュエータワイヤ１１は、電熱線２１が形成する組目中に直線状に配置されている。各アクチュエータワイヤ１１は、互いに平行に配置されている。このように、アクチュエータバンド１においては、平面状に並列に配列された複数のアクチュエータワイヤ１１及び複数の電熱線２１によって、組物が形成されている。アクチュエータバンド１はこのような構造を有しているため、各アクチュエータワイヤ１１が、発熱源である電熱線２１によって加熱されることにより収縮する。
　図１Ａは、一つのアクチュエータバンド１を構成する８本のアクチュエータワイヤ１１（図１Ａ中、二点鎖線）が平行に配列されている場合を示している。この例では、一つのアクチュエータバンド１を構成する１７本の電熱線２１が用いられている。
　図１Ｂは、実施の形態に係るアクチュエータバンド１を示す断面図である。具体的には、図１Ｂは、図１Ａに示す１Ｂ－１Ｂ線を含む切断面を見た断面図である。図１Ｂでは、便宜上、一つのアクチュエータワイヤ１１を一つの円で図示している。
　図１Ｂに示すように、各アクチュエータワイヤ１１の周囲にはほぼ均等に３本の電熱線２１が配置されている。このため、電熱線２１同士の接点が集中しにくくなり、局所的な抵抗増加を防止できる。
　また、２本のアクチュエータワイヤ１１の間の電熱線２１は、これら２本のアクチュエータワイヤ１１で共通化して用いられる。このため、各アクチュエータワイヤ１１に対して電熱線２１を３本ずつ設ける場合よりも、電熱線２１の本数を低減することができ、効率よくアクチュエータワイヤ１１を加熱できる。
　図１Ａに示すように、アクチュエータバンド１の一端には、第一接合具４ａが設けられている。アクチュエータバンド１の一端は、第一接合具４ａによって加締められている。この加締めによって、複数の電熱線２１の各々の一端が複数のアクチュエータワイヤ１１の各々の一端に接合されている。アクチュエータバンド１の他端には、第二接合具４ｂが設けられている。アクチュエータバンド１の他端は、第二接合具４ｂによって加締められている。この加締めによって、複数の電熱線２１の各々の他端が複数のアクチュエータワイヤ１１の各々の他端に接合されている。第一接合具４ａ及び第二接合具４ｂは、それぞれ電線を介して制御装置５に電気的に接続されている。第一接合具４ａ及び第二接合具４ｂは、例えば圧着端子である。圧着端子としては、例えばフォーク圧着端子またはリング圧着端子が挙げられる。圧着端子は、金属製であることが望ましい。これにより、電熱線２１からの熱を第一接合具４ａ及び第二接合具４ｂで放熱することができる。
　［制御装置］
　制御装置５は、複数の電熱線２１に電力を供給し、各電熱線２１を加熱する。制御装置５は、複数の電熱線２１に電力を供給するための電源を具備し得る。複数の電熱線２１に供給される電力は、交流または直流である。制御装置５は、さらにスイッチを具備し得る。スイッチがオンである間には、複数の電熱線２１に電力が供給される。スイッチがオフである場合には、複数の電熱線２１に電力は供給されない。
　［アクチュエータバンドの製造方法］
　次にアクチュエータバンド１の製造方法について説明する。
　まず、上述した複数のアクチュエータワイヤ１１及び、複数の電熱線２１が周知の平打ち製紐機に対してセットされる。この際、複数の電熱線２１は、平打ち製紐機に備わる複数のボビンに十分な張力を与えて巻き付けられている。形成工程においては、平打ち製紐機が可動することにより、複数のアクチュエータワイヤ１１の周りに複数の電熱線２１を組むことで、アクチュエータバンド１を形成する。
　この際、コールゴムの構成にするためにアクチュエータワイヤ１１は十分な張力が印加された状態で、各ボビンの間に配置されている。このため、各アクチュエータワイヤ１１と各電熱線２１とは、平打ち製紐機によって組まれながら巻き上げられ、アクチュエータバンド１となる。
　一般に丸打ち製紐では、偶数個のボビンで円筒状に複数の線材を組み、平打ち製紐では、奇数個のボビンで帯状に複数の線材を組む。丸打ち製紐において、偶数個のボビンは、空ボビンを含んでいてもよい。平打ち製紐において、奇数個のボビンは、空ボビンを含んでいてもよい。空ボビンを加えることで、アクチュエータ装置６０として必要な仕事量に合わせてアクチュエータワイヤ１１の本数を選択することができる。空ボビンの代わりに、ダミーとなる線材が巻きつけられたボビンを用いて、複数の線材を組むことも可能である。この場合、偏りがない組目、すなわち、均一な組目の形成が可能となる。ダミーとなる線材はなるだけ細い方がよい。ダミーとなる線材が細いほど、ダミーとなる線材による、アクチュエータバンド１の仕事量のロスを小さくすることができる。
　その後、アクチュエータバンド１は、所望の長さに切断される。本実施の形態では、アクチュエータバンド１の一端から他端までの第一方向に沿う長さが、第一方向に直交する第二方向の長さ（幅）よりも長くなるように、アクチュエータバンド１が切断されている。つまり、第一方向はアクチュエータバンド１の長手方向である。第二方向はアクチュエータバンド１の短手方向である。また、第一方向は、各アクチュエータワイヤ１１の軸方向でもある。
　所望の長さに切断されたアクチュエータバンド１の両端には、第一接合具４ａ及び第二接合具４ｂが取り付けられる。第一接合具４ａ及び第二接合具４ｂは、それぞれ電線を介して制御装置５に電気的に接続される。これにより、アクチュエータ装置６０が組み立てられる。
　［アクチュエータ装置の動作］
　次にアクチュエータ装置６０の動作について説明する。図１Ａに示すようにアクチュエータバンド１における一端側の第二接合具４ｂに対しては、ワイヤＷを介しておもり６が連結されている。このおもり６によってアクチュエータバンド１には、所定の張力が付与され、アクチュエータバンド１がピンと張った状態となる。言い換えれば、アクチュエータバンド１には、おもり６によって第一方向に沿う張力が付与されている。
　図４Ａは、実施の形態に係るアクチュエータバンド１において、電熱線２１に対する加熱がない状態を示す模式図である。図４Ｂは、実施の形態に係るアクチュエータバンド１において、電熱線２１に対する加熱がある状態を示す模式図である。
　図４Ａに示すように、電熱線２１が加熱されていない状態では、アクチュエータバンド１に対しては初期張力が付与されている。このため、複数の電熱線２１がなす組目が第一方向に沿って広がっている。このときのアクチュエータバンド１の第一方向の長さをＬ０とする。
　図４Ｂに示すように、電熱線２１が加熱された状態では、アクチュエータバンド１の複数のアクチュエータワイヤ１１が加熱によって収縮する。この収縮に追従して複数の電熱線２１がなす組目が変形し第一方向に収縮する。このため、アクチュエータバンド１の第一方向の長さＬ１は、長さＬ０よりも短くなる。
　このように、アクチュエータバンド１は、複数の電熱線２１がなす組目の変形とアクチュエータワイヤ１１の加熱による収縮及びその放熱による復元により伸縮する。このため、各電熱線２１が互いに交差する点においてアクチュエータワイヤ１１の伸縮の動きは阻害されない。ここで、各電熱線２１がアクチュエータワイヤ１１の伸縮に追従して均一に変形するためには、電熱線２１は剛性が小さく弾性があることが望ましい。
　また、アクチュエータバンド１に付与される初期張力は小さくかつ、アクチュエータバンド１の収縮率が大きいほどよい。加熱及び放熱の繰り返しによる伸縮動作を安定させることができるようにアクチュエータバンド１を構成することが望ましい。
　［実施例］
　以下、本発明に係る実施例について説明する。
　（アクチュエータワイヤ１１の製造）
　特許文献３の開示内容に従って、本発明者らはコイル状ポリマー繊維１１１を得た。次に、本発明者らは、２本のコイル状ポリマー繊維１１１を捻り、アクチュエータワイヤ１１を製造した（図２参照）。このように、アクチュエータワイヤ１１は、互いに撚り合わされた２本のコイル状ポリマー繊維１１１から構成されていた。言い換えれば、捻られた１本のコイル状ポリマー繊維１１１ａの側面は、捻られた他のコイル状ポリマー繊維１１１ｂの側面に接していた。
　（電熱線２１の製造）
　ポリエステルからなるモノフィラメント（東レ株式会社製、繊維の太さ：１０デニール）が弾性糸５１として用いられた。ステンレス線（日本精線株式会社　商品名「ステンレス鋼線」　材質「ＳＵＳ　３１６Ｌ」　直径寸法「０．０３０ｍｍ」）が金属ワイヤ５２（鞘糸）として用いられた。弾性糸５１の周りには、金属ワイヤ５２がＳ撚り（撚り数：２９５０Ｔ／ｍ）に組まれた。このようにして、本発明者らは電熱線２１を製造した。
　（アクチュエータバンド１の製造）
　コールゴム（または、ゴム紐）の構造を有するアクチュエータバンド１を製造した。８本のアクチュエータワイヤ１１及び１７本の電熱線２１を用いた。８本のアクチュエータワイヤ１１を並べて、その間を１７本の電熱線２１を用いて数字の「８」の字が縦に連続して繋がった形のループを描くように平打ち製紐機を用いて組み上げ、アクチュエータバンド１を得た。アクチュエータバンド１の第一方向における長さはおよそ６０ｍｍとした。また、アクチュエータバンド１の一端には第一接合具４ａが取り付けられ、他端には第二接合具４ｂが取り付けられている。
　（加熱試験）
　次に、アクチュエータバンド１に対する加熱試験について説明する。図５は、加熱試験に用いられる試験装置１００の模式図である。図５に示すように、試験装置１００は、固定板７、滑車３１、鏡３２、放射温度計１５及びレーザ変位計１４を備えている。
　第一接合具４ａは、固定板７を用いて固定された。滑車３１は、アクチュエータバンド１の他端側の第二接合具４ｂに取り付けられたワイヤＷをガイドする滑車である。固定板７及び滑車３１によって、アクチュエータバンド１は、略水平に配置されている。ワイヤＷには、例えば５００ｇのおもり６が取り付けられている。このおもり６による初期張力により、アクチュエータバンド１は伸長した状態となる（例えば図４Ａ参照）。アクチュエータバンド１の第二接合具４ｂは、当該アクチュエータバンド１の伸縮に基づいて第一方向に沿って移動自在となっている。
　鏡３２は、アクチュエータバンド１の第二接合具４ｂに取り付けられており、当該第二接合具４ｂの移動に連動して第一方向に移動するようになっている。鏡３２の鏡面は、第一方向に直交する方向に沿って設けられており、この鏡３２の鏡面に対向する位置にレーザ変位計１４（キーエンス社製、商品名「ＬＫ－０８０」）が配置されていた。レーザ変位計１４は、鏡３２に対してレーザ光を照射し、鏡３２を反射したレーザ光を検出することで、第二接合具４ｂの変位を計測する。つまり、レーザ変位計１４は、アクチュエータバンド１の変位を計測する。
　放射温度計１５は、アクチュエータバンド１が放出する赤外線または可視光を検出可能な位置に配置されており、検出した赤外線または可視光に基づいてアクチュエータバンド１の温度を測定する。放射温度計１５としては、Ａｐｉｓｔｅ製、商品名「ＦＳＶ－２１０」を用いた。
　本発明者らは、制御装置５を用いて、電熱線２１に３８０ｍＡの電流、１．８Ｗの電力を１２秒間印加した。このようにして、アクチュエータバンド１を加熱した。このとき、アクチュエータバンド１の側面の温度がおよそ摂氏７０度に到達した。この加熱により、アクチュエータバンド１は第一方向に収縮した。
　その後、１２０秒間の冷却時間では、電流を電熱線２１に流さなかった。このようにして、アクチュエータバンド１の側面を自然に摂氏３０度以下まで冷却した。この放熱により、アクチュエータバンド１は、第一方向に伸び、復元した。アクチュエータバンド１の収縮及び復元に伴って鏡３２が第一方向に振動した。この振動をレーザ変位計１４が計測することで、アクチュエータバンド１の伸縮を計測した。
　図６は、実施例に係るアクチュエータバンド１の収縮率及び温度の時間変化を示すグラフである。ここで、収縮率Ｃは、以下の数式（ＩＩ）で定義される。
　Ｃ＝（Ｌ１－Ｌ０）／Ｌ０×１００　　　（ＩＩ）
　Ｌ０は、加熱前における初期張力が付与されたアクチュエータバンド１の長さである（図４Ａ参照）。Ｌ１は、加熱時のアクチュエータバンド１の長さである（図４Ｂ参照）。図６に示すように、アクチュエータバンド１の温度が高くなるとアクチュエータバンド１の収縮率は小さくなり、アクチュエータバンド１の温度が低くなるとアクチュエータバンド１の収縮率は大きくなることが分かる。
　次に、アクチュエータバンド１に対して、加熱及び冷却を繰り返す耐久性試験を行った。耐久性試験では、おもり６の重量を５００ｇとし、電熱線２１に対する電流を３３０ｍＡで２５秒印加した。アクチュエータバンド１の側面の温度がおよそ摂氏７０度に到達すると、冷却ファンによってアクチュエータバンド１を２５秒間冷却した。ファンで冷却を加速し、アクチュエータバンド１の側面の温度は摂氏３０度以下になった。この繰り返しを１４５００回行った。
　図７Ａは、実施例に係るアクチュエータバンド１の抵抗値変化と繰り返し回数との関係を示すグラフである。
　図７Ａに示すように、実施例に係るアクチュエータバンド１においては抵抗値変化が１２０％以下であったことが分かる。
　［比較例］
　次に、比較例に係るアクチュエータバンド４０について説明する。図８Ａは、比較例に係るアクチュエータバンド４０を示す模式図である。図９は、比較例に係るアクチュエータバンド４０に備わるアクチュエータ単線４１を示す正面図である。図８Ｂは、比較例に係るアクチュエータバンド４０を示す断面図である。具体的には、図８Ｂは、図８Ａに示す８Ｂ－８Ｂ線を含む切断面を見た断面図である。図８Ｂでは、便宜上、一つのアクチュエータワイヤ１１を一つの円で図示している。なお、以下の説明において、上記実施の形態と同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。
　図８Ａに示すように、アクチュエータバンド４０は、複数のアクチュエータ単線４１を組むことで形成されている。図９に示すように、アクチュエータ単線４１は、アクチュエータワイヤ１１の周囲に対して、網目状に組まれた４本の電熱線２１を配置することで形成されている。具体的には、アクチュエータ単線４１は、丸打ち製紐と称されるプロセスにより、アクチュエータワイヤ１１の周囲に４本の電熱線２１を網状に被覆することで、形成されている。
　アクチュエータバンド４０は、平打ち製紐と称されるプロセスにより、９本のアクチュエータ単線４１を組むことで形成されている。アクチュエータバンド４０には、９本のアクチュエータ単線４１があるため、アクチュエータバンド４０の全体としては、３６本の電熱線２１が備えられている。また、アクチュエータバンド４０の第一方向における長さは、約７０ｍｍとしている。また、アクチュエータバンド４０の一端には第一接合具４ａが取り付けられ、他端には第二接合具４ｂが取り付けられている。
　図８Ｂに示すように、アクチュエータバンド４０では、各アクチュエータワイヤ１１の周囲にはほぼ均等に４本の電熱線２１が配置されている。このため、電熱線２１の配置密度が実施例よりも大きい箇所（図８Ｂ中、破線箇所）が存在することとなっている。
　このアクチュエータバンド４０に対して、加熱及び冷却を繰り返す耐久性試験を実施例と同様に行った。耐久性試験では、おもり６の重量を５００ｇとし、電熱線２１に対する電流を４７０ｍＡで３０秒印加した。アクチュエータバンド４０の側面の温度がおよそ摂氏７０度に到達すると、冷却ファンによってアクチュエータバンド４０を２５秒間冷却した。ファンで冷却を加速し、アクチュエータバンド１の側面の温度は摂氏３０度以下になった。この繰り返しを１４５００回行った。
　図７Ｂは、比較例に係るアクチュエータバンド４０の抵抗値変化と繰り返し回数との関係を示すグラフである。図７Ｂに示すように、比較例に係るアクチュエータバンド４０においては抵抗値変化が１４０％を超えることになった。
　このように、実施例に係るアクチュエータバンド１は、比較例に係るアクチュエータバンド４０よりも、抵抗値変化が抑制されていることが分かる。
　次に、本発明に係るアクチュエータバンド１の変形例について説明する。なお、以降の説明において、上記実施の形態と同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。
　［変形例１］
　図１０は、変形例１に係るアクチュエータバンド１Ａを示す模式図である。図１０に示すように、各電熱線２１は矩形波状の形状を有し、複数の電熱線２１が、網状となるように編まれている。この編まれた各電熱線２１に対して、複数のアクチュエータワイヤ１１ａが平面状に並列に配置されている。具体的には、各アクチュエータワイヤ１１ａは、各電熱線２１に対して側方（図１０においては上方または下方）から並列に差し込まれる。これにより、複数の電熱線２１からなる一枚の編み物に対して、各アクチュエータワイヤ１１ａが平面状に配置されることになる。
　［変形例２］
　図１１は、変形例２に係るアクチュエータバンド１Ｂを示す模式図である。図１１に示すように、各電熱線２１ａ、２１ｂは、細長い板（すなわち、帯状）の形状を有している。各電熱線２１ａ、２１ｂは、格子状に織られている。この織られた各電熱線２１ａ、２１ｂに対して、複数のアクチュエータワイヤ１１ｂが平面状に並列に配置されている。具体的には、各アクチュエータワイヤ１１ｂは、各電熱線２１ａ、２１ｂに対して側方（図１１においては上方または下方）から並列に差し込まれる。これにより、複数の電熱線２１ａ、２１ｂからなる一枚の織物に対して、各アクチュエータワイヤ１１ｂが平面状に配置されることになる。
　［変形例３］
　図１２は、変形例３に係るアクチュエータバンド１Ｃを示す断面図である。図１２に示すように、変形例３に係るアクチュエータバンド１Ｃは、一対のアクチュエータワイヤ１１と、５本の電熱線２１とから形成されている。具体的には、各アクチュエータワイヤ１１の周囲にはほぼ均等に３本の電熱線２１が配置されている。このため、電熱線２１同士の接点が集中しにくくなり、局所的な抵抗増加を防止できる。また、一対のアクチュエータワイヤ１１の間の電熱線２１は、これら一対のアクチュエータワイヤ１１で共通化して用いられる。このため、各アクチュエータワイヤ１１に対して電熱線２１を３本ずつ設ける場合よりも、電熱線２１の本数を低減することができ、効率よくアクチュエータワイヤ１１を加熱できる。
　本発明は、人工筋肉として用いられるアクチュエータ装置に適用可能である。
　［本発明の構成および効果］
　以上のように、実施の形態に係るアクチュエータ装置６０は、アクチュエータバンド１及び制御装置５を具備し、アクチュエータバンド１は、複数のアクチュエータワイヤ１１及び複数の電熱線２１を具備し、複数のアクチュエータワイヤ１１の各々は、高分子からなる繊維（コイル状ポリマー繊維１１１）から形成され、繊維は、その長軸の周りに沿って捻られており、繊維は、円筒状のコイルの形状を有するように折りたたまれており、複数のアクチュエータワイヤ１１の各々は、加熱により縮み、かつ放熱により復元し、複数のアクチュエータワイヤ１１及び複数の電熱線２１によって、組物、織物及び編物のいずれか一つが形成されており、複数のアクチュエータワイヤ１１は平面状に配置されており、アクチュエータバンド１の一端では、複数の電熱線２１の各々の一端が複数のアクチュエータワイヤ１１の各々の一端に接合されており、アクチュエータバンド１の他端では、複数の電熱線２１の各々の他端が複数のアクチュエータワイヤ１１の各々の他端に接合されており、制御装置５は、複数の電熱線２１の各々を加熱するための電力を複数の電熱線２１の各々に供給するために用いられ、アクチュエータバンド１は、当該アクチュエータバンド１の一端から他端までの第一方向に沿って張力が印加された状態で加熱されることにより、第一方向に沿って収縮する。
　また、実施の形態に係るアクチュエータバンド１は、複数のアクチュエータワイヤ１１及び複数の電熱線２１を具備し、複数のアクチュエータワイヤ１１の各々は、高分子からなる繊維（コイル状ポリマー繊維１１１）から形成され、繊維は、その長軸の周りに沿って捻られており、繊維は、円筒状のコイルの形状を有するように折りたたまれており、複数のアクチュエータワイヤ１１の各々は、加熱により縮み、かつ放熱により復元し、複数のアクチュエータワイヤ１１及び複数の電熱線２１によって、組物、織物及び編物のいずれか一つが形成されており、複数のアクチュエータワイヤ１１は平面状に配置されており、複数の電熱線２１の各々の一端は、複数のアクチュエータワイヤ１１の各々の一端に接合されており、複数の電熱線２１の各々の他端は、複数のアクチュエータワイヤ１１の各々の他端に接合されている。
　また、実施の形態に係るアクチュエータバンド１の製造方法は、加熱により縮み、かつ放熱により復元する複数のアクチュエータワイヤ１１及び複数の電熱線２１によって、組物、織物及び編物のいずれか一つを形成することでアクチュエータバンド１を形成する工程を含み、複数のアクチュエータワイヤ１１の各々は、高分子からなる繊維（コイル状ポリマー繊維１１１）から形成され、繊維は、その長軸の周りに沿って捻られており、円筒状のコイルの形状を有するように折りたたまれており、複数のアクチュエータワイヤ１１は平面状に並列に配置されている。
　これによれば、複数の電熱線２１と、平面状に配列された複数のアクチュエータワイヤ１１とで形成された組物、織物及び織物の少なくとも一つがアクチュエータバンド１をなしているので、各アクチュエータワイヤ１１の周囲に複数の電熱線２１をほぼ均等に配置することができる。これにより、電熱線２１同士の接点が集中しにくくなり、局所的な抵抗増加を防止できる。したがって、繰り返し動作において、電熱線２１の抵抗値の上昇を抑えることができ、アクチュエータ装置６０を安定的に動作させることができる。
　また、複数の電熱線２１の各々は非導電性の弾性糸５１及び金属ワイヤ５２を具備し、金属ワイヤ５２は、弾性糸５１に螺旋状に巻きついている。
　これによれば、金属ワイヤ５２が弾性糸５１に対して巻き付いた電熱線２１が用いられているので、金属ワイヤ５２とアクチュエータワイヤ１１との密着面積を高めることができ、熱効率を高めることができる。
　また、アクチュエータバンド１は、第一接合具４ａ及び第二接合具４ｂを具備し、複数の電熱線２１の各々の一端は、第一接合具４ａによって複数のアクチュエータワイヤ１１の各々の一端に接合されており、複数の電熱線２１の各々の他端は、第二接合具４ｂによって複数のアクチュエータワイヤ１１の各々の他端に接合されている。
　これによれば、第一接合具４ａによって複数の電熱線２１と複数のアクチュエータワイヤ１１の一端同士が接合され、第二接合具４ｂによって複数の電熱線２１と複数のアクチュエータワイヤ１１の他端同士が接合されているので、簡単な構成でこれらを接合することができる。特に、第一接合具４ａ及び第二接合具４ｂが金属製である場合には、電熱線２１からの熱を第一接合具４ａ及び第二接合具４ｂで放熱することができる。
　また、繊維は、直鎖状低密度ポリエチレンからなり、以下の式（Ｉ）が充足される。
　Ｄ／ｄ＜１　　　（Ｉ）
　ここで、Ｄは前記円筒状のコイルの平均直径を表し、ｄは前記繊維の直径を表す。
　この関係性であるために、アクチュエータワイヤ１１の変位率を高くすることができる。
　［その他］
　以上、本発明に係るアクチュエータ装置、アクチュエータバンド及びアクチュエータバンドの製造方法について、上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、上記実施の形態では、複数の電熱線２１が組物である場合を例示した。しかしながら、複数の電熱線は織物または編物であってもよい。
　また、上記実施の形態では、複数の電熱線２１とともに複数のアクチュエータワイヤ１１が一括して組まれることで、アクチュエータバンド１が製造される場合を例示した。しかしながら、複数の電熱線２１で予め組物を形成した後に、当該組物に対して複数のアクチュエータワイヤ１１を差し込むことでアクチュエータバンド１を形成してもよい。これは、複数の電熱線２１が織物または編物である場合でも同様である。
　また、上記実施の形態では、複数のアクチュエータワイヤ１１が平行に配置されている場合を例示した。しかし、複数のアクチュエータワイヤは、平面状に配列されているのであれば、互いに非平行に配置されていてもよいし、交差していてもよい。
　また、上記実施の形態では、アクチュエータバンド１の一端から他端までの第一方向に沿う長さが、第一方向に直交する第二方向の長さ（幅）よりも長い場合を例示した。しかしながら、アクチュエータバンドにおいては、幅が第一方向の長さ以上であってもよい。
　その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
１　アクチュエータバンド
４ａ　第一接合具
４ｂ　第二接合具
５　制御装置
６　おもり
７　固定板
１１　アクチュエータワイヤ
１４　レーザ変位計
１５　放射温度計
２１　電熱線
３１　滑車
３２　鏡
４０　アクチュエータバンド
４１　アクチュエータ単線
５１　弾性糸
５２　金属ワイヤ
６０　アクチュエータ装置
１００　試験装置
１１１、１１１ａ、１１１ｂ　コイル状ポリマー繊維
Ｗ　ワイヤ

Claims (8)

  1. 　アクチュエータ装置であって、
    　アクチュエータバンド及び制御装置を具備し、
    　前記アクチュエータバンドは、複数のアクチュエータワイヤ及び複数の電熱線を具備し、
    　前記複数のアクチュエータワイヤの各々は、高分子からなる繊維から形成され、
    　前記繊維は、その長軸の周りに沿って捻られており、
    　前記繊維は、円筒状のコイルの形状を有するように折りたたまれており、
    　前記複数のアクチュエータワイヤの各々は、加熱により縮み、かつ放熱により復元し、
    　前記複数のアクチュエータワイヤ及び前記複数の電熱線によって、組物、織物及び編物のいずれか一つが形成されており、
    　前記複数のアクチュエータワイヤは平面状に並列に配置されており、
    　前記アクチュエータバンドの一端では、前記複数の電熱線の各々の一端が前記複数のアクチュエータワイヤの各々の一端に接合されており、
    　前記アクチュエータバンドの他端では、前記複数の電熱線の各々の他端が前記複数のアクチュエータワイヤの各々の他端に接合されており、
    　前記制御装置は、前記複数の電熱線の各々を加熱するための電力を前記複数の電熱線の各々に供給するために用いられ、
    　前記アクチュエータバンドは、当該アクチュエータバンドの前記一端から前記他端までの第一方向に沿って張力が印加された状態で加熱されることにより、前記第一方向に沿って収縮する、
    　アクチュエータ装置。
  2. 　前記複数の電熱線の各々は非導電性の弾性糸及び金属ワイヤを具備し、
    　前記金属ワイヤは、前記弾性糸に螺旋状に巻きついている、
    　請求項１に記載のアクチュエータ装置。
  3. 　前記繊維は、直鎖状低密度ポリエチレンからなり、以下の式（Ｉ）が充足される：
    　Ｄ／ｄ＜１　　　（Ｉ）
    　ここで、
    　Ｄは前記円筒状のコイルの平均直径を表し、ｄは前記繊維の直径を表す、
    　請求項１または２に記載のアクチュエータ装置。
  4. 　複数のアクチュエータワイヤ及び複数の電熱線を具備し、
    　前記複数のアクチュエータワイヤの各々は、高分子からなる繊維から形成され、
    　前記繊維は、その長軸の周りに沿って捻られており、
    　前記繊維は、円筒状のコイルの形状を有するように折りたたまれており、
    　前記複数のアクチュエータワイヤの各々は、加熱により縮み、かつ放熱により復元し、
    　前記複数のアクチュエータワイヤ及び前記複数の電熱線によって、組物、織物及び編物のいずれか一つが形成されており、
    　前記複数のアクチュエータワイヤは平面状に並列に配置されており、
    　前記複数の電熱線の各々の一端は、前記複数のアクチュエータワイヤの各々の一端に接合されており、
    　前記複数の電熱線の各々の他端は、前記複数のアクチュエータワイヤの各々の他端に接合されている、
    　アクチュエータバンド。
  5. 　前記複数の電熱線の各々は非導電性の弾性糸及び金属ワイヤを具備し、
    　前記金属ワイヤは、前記弾性糸に螺旋状に巻きついている、
    　請求項４に記載のアクチュエータバンド。
  6. 　第一接合具及び第二接合具を具備し、
    　前記複数の電熱線の各々の一端は、前記第一接合具によって前記複数のアクチュエータワイヤの各々の一端に接合されており、
    　前記複数の電熱線の各々の他端は、前記第二接合具によって前記複数のアクチュエータワイヤの各々の他端に接合されている、
    　請求項４または５に記載のアクチュエータバンド。
  7. 　前記繊維は、直鎖状低密度ポリエチレンからなり、以下の式（Ｉ）が充足される：
    　Ｄ／ｄ＜１　　　（Ｉ）
    　ここで、
    　Ｄは、前記円筒状のコイルの平均直径を表し、かつ
    　ｄは、前記繊維の直径を表す、
    　請求項４～６のいずれか一項に記載のアクチュエータバンド。
  8. 　加熱により縮み、かつ放熱により復元する複数のアクチュエータワイヤ、及び複数の電熱線によって、組物、織物及び編物のいずれか一つを形成することでアクチュエータバンドを形成する工程を含み、
    　前記複数のアクチュエータワイヤの各々は、高分子からなる繊維から形成され、
    　前記繊維は、その長軸の周りに沿って捻られており、円筒状のコイルの形状を有するように折りたたまれており、
    　前記複数のアクチュエータワイヤは平面状に並列に配置されている、
    　アクチュエータバンドの製造方法。
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