JP2015137603A - 板状アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 形状記憶合金から成る選択的に伸縮可能な線状又は帯状の伸縮素子を板状弾性体上に貼りつけ、長さの変化させられた伸縮素子の位置を移動させる形式の板状アクチュエータに於いて、更なる高出力化を図ること。
【解決手段】 本発明の板状アクチュエータは、弾性的に変形可能な弾性板状部材と、弾性板状部材の面上にて配置された少なくとも一つの線状変形素子にして、形状記憶合金線材と電気抵抗線材とを所定の配列にて束ねてなる収縮可能な線状の伸縮素子と、伸縮素子の少なくとも一部を囲繞し該伸縮素子の共に弾性的に変形可能な弾性素子と、電気抵抗線材へ選択的に通電する通電手段とを含む線状変形素子とを含み、線状変形素子の長さの変化と共に前記弾性板状部材が変形し、長さの変化した前記線状変形素子の位置の変更とともに、前記弾性板状部材の変形部位が変更される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、構造体を変形するためのアクチュエータに係り、より詳細には、移動体のボディ等の構造体の変形に有利に用いられる板状アクチュエータに係る。

種々の構造体の変形のためのアクチュエータの一つの形式として、従来より、温度によって寸法が伸縮する形状記憶合金を用い、形状記憶合金の伸縮により構造体の一部を変形させ或いは可動部分を駆動する構成が種々提案されている。例えば、特許文献１には、マイクロマシン等に利用される小型のアクチュエータとして、形状記憶合金から成る線状伸縮体をポリマー等により形成された弾性体内埋め込んだアクチュエータが提案されている。このアクチュエータは、伸縮体の長さの変化によって対象となる構造体の一部を変形させる形式のものである。また、特許文献２、３に於いては、血圧測定器、マッサージ機等の可動部分や手足の運動の補助等などの利用を想定したアクチュエータとして、形状記憶合金から成る線状伸縮体を網目状又はらせん状に配列し、長さと直径が伸縮する円筒形状に構成されたものなどが開示されている。更に、移動体のボディやその他の構造体の一部に、アクチュエータとして温度によって寸法が伸縮する形状記憶合金を用い、形状記憶合金の伸縮により構造体の一部を変形させ或いは可動部分を駆動する構成が種々提案されている（例えば、特許文献４−１０）。更に、人工食道などの輸送管の構成として、管上の複数の個所に帯状の形状記憶合金を巻き付けて、管の蠕動（ぜんどう）が惹起するように帯状形状記憶合金の伸縮をスイッチング制御することにより、管内にて物質を移動する構成も提案されている（特許文献１１）。

特開平０６−３４１３６９ 特開２００５−９８２４１ 特開２００５−４８６５８ 特開平０９−２５７３９８ 実開昭６２−１１２９７１ 実開昭５９−１２３６７４ 実開昭６１−１１３１７４ 特開２００２−３１９３４３ 特開平０９−１２６１１６ 特開２００７−９２５５６ 特開２００５−１０４７２２

条件（温度、電圧等）に応じて伸縮又は変形する形状記憶合金等の変形素子を用いる場合、変形素子自体を変形されるべき構造体の一部として組み込むことが可能なので、アクチュエータ自体の占有する空間は、比較的小さくすることが可能である。しかしながら、それらの変形素子の単位長さ当たりの変位量は、一般に小さく、変形素子の変形から直接的に大きな変位を得ようとする場合には、変形素子を大型化することが必要となる。即ち、典型的な変形素子に於ける結晶格子間距離の変位量又は相構造の変化の際の寸法の変位量は、最大の場合でも、３０％であり、長さＬの素子の最大変位δは、たかだか、δ＝０．３Ｌ程度となるので、アクチュエータによって発生させたい要求変位量Δが、素子の単位長さ当たりの最大変位よりも相当に大きい場合には、素子の最大変位δが要求変位量Δを十分に達成できるように、素子の長さＬを大きくせざるをえず、かくして、アクチュエータが大型化されることとなる。即ち、上記の例に挙げられている如き従前のアクチュエータを移動体のボディ等の構造体の変形のために利用すべく、高荷重（若しくは高出力）及び高変位を両立させようとすると、一般に、アクチュエータが大型化し、軽量化及び省スペース化を図ることが困難である。

そこで、本発明の発明者は、特願２０１３−１１１４００に於いて、移動体のボディ等の構造体の変形に有利に利用可能な形状記憶合金を用いたアクチュエータであって、アクチュエータ本体の占有空間をさほどに大きくせずに、構造体に於いて（従前に比して）大きな変位を与えることのできる板状のアクチュエータの構成を提案した。上記特願に記載されている板状アクチュエータは、端的に述べれば、図８（Ａ）に例示されている如く、可撓性の湾曲した板状部材２’と、板状部材に装着された伸縮可能な帯状の形状記憶合金から成る変形素子４’とを含み（図中、複数の変形素子４’が配列されている。）、長さの変化した変形素子４’の位置が（例えば、図８（Ｂ）の如く、端から順に）変更されることにより板状部材の蠕動が発生させられる。ここで、「湾曲した板状構造の蠕動」とは、湾曲した板状構造に於いて、その湾曲方向に沿って局所的に伸縮した部分（湾曲面の内方へ窪んだ凹領域又は湾曲面の外方へ突出した凸領域）が湾曲方向に対して概ね垂直な方向に沿って移動していく運動であり、その移動する凹領域又は凸領域が変形されるべき構造体の一部を押すことによって構造体の変形が達成されることとなる。かかる構成によれば、まず、力を発する部位は、凹領域又は凸領域であり、力の作用する部位は、凹領域又は凸領域に接触したボディの一部の可動部分となるので、力点と作用点とが略一致することとなり、作用点にそのまま力点で発生した力が作用されることとなるので、発生した力の低減量が小さくなる。また、湾曲した板状構造に於いて凹領域又は凸領域が長い距離に亘って移動できるよう構成することによって、大きな変位を得ることが可能となる。そして、アクチュエータ自体の形状は、湾曲した板状であるので、アクチュエータ本体の占有空間をさほどに大きくしないで済み、アクチュエータの更なる軽量化及び省スペース化が可能となる。

ところで、上記の特願２０１３−１１１４００の実施の形態に於いて例示されている形状記憶合金から成る変形素子４’は、基本的には、図８（Ｃ）に例示されている如く、絶縁材料から成る外套膜７ａ’に覆われた帯状の伸縮素子７’によって構成され、板状部材の縁５に位置する伸縮素子７’の両端には、電極８’が設けられる。この構成に於いて、電極８’を介して伸縮素子７’に電流が流されると、それにより発生するジュール熱によって温度が上昇し、伸縮素子７’がその長さ方向に収縮し、これにより、板状部材に於いて、局所的に凹領域が発生することとなる。そして、電流を切ると、伸縮素子７’の長さは、伸長するが、長さが完全に復元しない場合があるので、通電停止後の長さの復元を確実にすべく、伸縮素子７の下面又は側面に於いて配置された板ばね９’が配置される。

図８に例示の如き、変形素子４’の長さを収縮させて蠕動を発生させる構成の場合、その駆動力の大きさは、変形素子４’の収縮力の大きさによって決定される。従って、図示の構成に於いて、更なる高出力化を図ろうとする場合、変形素子４’の収縮力の増大を達成する必要があり、そのためには、帯状の変形素子４’の厚み方向の伸縮素子７’の配列数（重畳数）の増大、及び、板ばね９’の厚みの増大が要件となる。しかしながら、その場合、板状アクチュエータの厚みが増大し、形状記憶合金層から成る伸縮素子に於いて、収縮せずに曲率が変化する板ばねに近い形状記憶合金層と板ばねから遠い形状記憶合金層との間で、曲率のずれによって収縮量にずれが生じることとなる。この点に関し、一般的に、形状記憶合金の複数の層をそれぞれの配列される位置に応じて各層の収縮量を調整することは、煩雑でコスト高の要因となるので、通常、同一の収縮量を有する形状記憶合金層を用いられることとなる。しかし、そうすると、図８の構成の場合には、上記の如き板ばねの表面から距離に依存した形状記憶合金層に於ける収縮量のずれの発生によって、板ばねとの界面に接した形状記憶合金層の収縮力が板ばねとの界面又はその層自身のせん断破壊に消費され、アクチュエータとして外部へ作用する力に使われず、アクチュエータの効率低下或いは破壊を惹起し得ることとなる。また、形状記憶合金は、作動収縮量が比較的大きく（最大５％）、形状記憶合金の線状部材の表面に絶縁膜を被覆することが困難な場合があるところ、上記の如き形状記憶合金の線状部材自体に電流を流して発熱させる形式の場合に、形状記憶合金の複数の層を重畳すると、隣り合う絶縁膜のない形状記憶合金線材同士が接触し、これにより、見かけの電導断面積が増大し、従って、電気抵抗が低下することとなる。そうすると、通電による発熱量が電気抵抗の低下により低減するため、十分な発熱量を得るべく、大電流を流通させる必要が生ずる。一方、形状記憶合金線材同士が接触しないように線材を細密に配列させることは、非常に困難である。即ち、図８に例示の如き帯状の形状記憶合金層からなる伸縮素子７’の配列数の増大には、或る程度の限界があることとなる。

かくして、本発明の一つの課題は、形状記憶合金から成る選択的に伸縮可能な線状又は帯状の伸縮素子を板状弾性体上に貼りつけ、長さの変化させられた伸縮素子の位置を移動させる形式の板状アクチュエータに於いて、更なる高出力化を図ることのできる新規な構成を提案することである。

また、本発明のもう一つの課題は、上記の如きアクチュエータであって、伸縮素子の長さの復元のための湾曲された板ばねを用いず、形状記憶合金そのものを発熱のための電流の回路として用いずに構成されたアクチュエータを提供することである。

本発明によれば、上記の課題は、板状アクチュエータであって、弾性的に変形可能な弾性板状部材と、弾性板状部材の面上にて該面に沿って配置された少なくとも一つの線状変形素子にして、形状記憶合金線材と電気抵抗線材とを所定の配列にて束ねてなる収縮可能な線状の伸縮素子と、伸縮素子の少なくとも一部を囲繞し該伸縮素子の共に長さが弾性的に変形可能な弾性素子と、電気抵抗線材へ選択的に通電する通電手段とを含む線状変形素子とを含み、線状変形素子の長さの変化と共に弾性板状部材が変形し、長さの変化した線状変形素子の位置の変更とともに、弾性板状部材の変形部位が変更される板状アクチュエータによって達成される。

かかる構成に於いて、「弾性板状部材」は、可撓性の任意の板状部材であってよく、例えば、ポリウレタン（ウレタンゴム若しくはウレタン樹脂）や熱可塑性エラストマ等の任意の高弾性樹脂膜などが利用されてよい。「線状変形素子」は、上記の如く、形状記憶合金線材と電気抵抗線材とを所定の配列にて束ねた構成であり、高出力化を図るべく、それぞれ、複数本の線材が束ねられる。「形状記憶合金線材」は、上記の如く、温度に依存して長さの変化する（典型的には、温度上昇と共に短縮する）線材であり、「電気抵抗線材」は、選択的に電流が流され、発熱し、形状記憶合金線材の温度上昇を図るためのものである。そして、その場合、好適には、電気抵抗線材の各々の表面は絶縁膜で被覆され、発熱量の増大を図るべく電気抵抗を増大させるために、複数本の電気抵抗線材は、それぞれの端部に於いてのみ、導通されるようになっていてよい。かかる構成によれば、形状記憶合金線材自体には、電流を流通させる必要はないため、絶縁膜で被覆されていない形状記憶合金線材同士を接触させてもよく、収縮力を増大する際には、容易に線材の本数を増加できることとなる。

更に、「伸縮素子の少なくとも一部を囲繞し該伸縮素子の共に長さが弾性的に変形可能な弾性素子」とは、長さの変化した伸縮素子の長さの復元のための任意の弾性体であるところ、本発明の場合は、伸縮素子の少なくとも一部を囲繞し、その弾性変形は、長さ方向、即ち、伸縮素子の伸縮方向に生ずることとなる。従って、伸縮素子の伸縮に於いて、曲率の変化は必須ではなくなるので、板ばねを採用した場合のような伸縮素子の収縮量のずれの問題が解消されることとなる。かかる弾性素子としては、つるまきばね、皿ばね、熱可塑性エラストマの等の弾性物質からなる円筒状部材が採用されてよい。また、伸縮素子全長にわたって、弾性素子で囲繞するのではなく、弾性素子と剛体管とを交互に直列に配列した状態であってもよい。

上記の本発明による板状アクチュエータの作動は、特願２０１３−１１１４００に記載のアクチュエータと基本的に同様であってよい。線状変形素子の伸縮素子は、通電することにより、長さが収縮するので、伸縮素子に対する通電を適宜制御することにより、長さの収縮した変形素子の位置を移動させ、これにより、弾性板状部材の変形部位を変化又は移動させることにより、その作用力（変形による押圧力又は牽引力）を外部の駆動対象となる構造体に及ぼすこととなる。特に、特願２０１３−１１１４００の場合と同様に弾性板状部材を湾曲させて使用する場合には、変形素子は、その湾曲方向に沿って延在することとなり、長さの収縮した変形素子の位置の移動によって、「蠕動」が発生することとなる。

長さの変化した変形素子の位置を板状部材に於いて変化させる一つの態様としては、複数本の変形素子が互いに隔置されて板状部材に装着され、複数本の変形素子の長さを選択的に変化させることにより、蠕動の進行が生ずるようになっていてよい。かかる構成によれば、後述の実施形態の欄に於いて説明されている如く、板状部材に隔置された複数本の変形素子の長さを選択的に、例えば、隣接する変形素子の長さを順番に伸縮させることにより（変形素子の長さを伸縮するタイミングをずらすことにより）、板状部材上の変形部位が移動していくこととなる。なお、複数本の変形素子の長さを選択的に伸縮する制御は、各変形素子に対する通電のタイミングを制御することによって達成可能である。

長さの変化した変形素子の位置を板状部材に於いて変化させる別の態様としては、板状アクチュエータに於いて、更に、板状部材上にて交差することなく延在する２本の帯状導電性領域が設けられ、変形素子がその両端間にて延在する導電部を有し、２本の帯状導電性領域のそれぞれと変形素子の導電部のそれぞれの端とが導通した状態にて変形素子が２本の帯状導電性領域の延在する方向に沿って移動可能に配置されるようになっていてよい。かかる構成に於いては、２本の帯状導電性領域と変形素子の導電部に電流を流すことにより、２本の帯状導電性領域の間に発生する磁場によるローレンツ力によって、長さの変化した変形素子が２本の帯状導電性領域の延在する方向に沿って移動し、従って、長さの変化した変形素子に隣接する板状部材の部分に形成された変形部位が移動することとなる。ここに於いて、変形素子の伸縮は、変形素子に対する通電を制御することにより達成可能である。なお、この態様によれば、一本の変形素子により、板状部材上に於ける変形部位の移動を発生可能であることは、理解されるべきである。

なお、上記の構成において、変形素子に通電した後に、通電を切り、伸縮素子の長さを復元するべく、一旦温度が上昇した伸縮素子を冷却する目的で、伸縮素子の周囲に冷媒を流通させる流路が設けられてよい。具体的には、例えば、伸縮素子が鞘構造に挿入され、鞘構造の内面と伸縮素子の表面とに隙間を設け、かかる隙間を流路として冷媒が流通できるようになっていてよい。

かくして、上記の本発明によれば、形状記憶合金から成る選択的に伸縮可能な線状又は帯状の伸縮素子を板状弾性体上に貼りつけ、長さの変化させられた伸縮素子の位置を移動させる形式の板状アクチュエータに於いて、伸縮素子の長さの復元のための湾曲された板ばねを用いず、形状記憶合金そのものを発熱のための電流の回路として用いずに構成されたアクチュエータが提供される。本発明では、形状記憶合金線材と電気抵抗線とを別体としてそれらの線材の束を伸縮素子として採用し、さらに、伸縮素子の長さを復元するための弾性体として、伸縮素子を囲繞して長さ方向に弾性変形する弾性素子を採用することにより、収縮量のずれや絶縁の構成をほとんど考慮せずに、形状記憶合金の線材の本数を増やすことができることとなり、これにより、更なる高出力化が可能となる。本発明の板状アクチュエータは、任意の構造体の変形に用いられるアクチュエータとして、アクチュエータ本体の占有空間をさほどに大きくせずに、しかも変形素子の持つ駆動力を殆ど低減させずに大きな変位の得ることのできるアクチュエータであり、アクチュエータの形状が板状であることから、移動体のボディの如く、内部に別の機能のための装置又は装備（移動体の駆動装置、操縦装置、座席など）が設けられる場合にも、アクチュエータがボディ内部の空間へ突出する程度を小さく抑えることができる点で有利である。変形素子の長さを制御するための装備は、基本的には、電気回路等のみなので、アクチュエータの作動に必要な装備も比較的小さく、従って、アクチュエータの更なる軽量化及び省スペース化が可能となる点でも有利である。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）は、本発明による板状アクチュエータの模式的な斜視図であり、図１（Ｂ）は、その線状変形素子の端部近傍の拡大された模式的な斜視図である。 図２（Ａ）は、本発明による板状アクチュエータに於ける変形素子の端部の模式的な斜視図であり、図２（Ｂ）は、伸縮素子の端部の模式的な斜視図である。これらの図は、内部を示すべく、一部破断されて描かれている。図２（Ｃ）は、伸縮素子の断面であり、形状記憶合金線材（白丸）と電気抵抗線（黒丸）の配列を示している。 図３（Ａ）は、本発明による板状アクチュエータの変形素子に於ける弾性素子として皿ばねを用いた実施形態を示す変形素子の一部の模式的な斜視図であり、図３（Ｂ）は、本発明による板状アクチュエータの変形素子に於ける弾性素子として熱可塑性エラストマから成る円筒部材を用いた実施形態を示す変形素子の一部の模式的な斜視図であり 図４は、図２（Ａ）と同様の変形素子の端部の模式的な斜視図であり、冷媒を流通させる流路の構成を説明する図である。 図５は、本発明による板状アクチュエータを平面状に展開した場合の変形部位の移動の様子を模式的に表した斜視図である。 図６（Ａ）は、本発明による板状アクチュエータを湾曲させた場合の変形素子の変形の様子を模式的に表した図であり、図６（Ｂ）は、本発明による板状アクチュエータを湾曲させた場合の変形部位の移動の様子を模式的に表した斜視図である。 図７は、本発明による板状アクチュエータの板状弾性部材の別の実施形態を模式的に表した斜視図である。 図８（Ａ）は、特願２０１３−１１１４００に記載のアクチュエータの模式的な斜視図であり、図８（Ｂ）は、蠕動の進行の様子を説明する模式図であり、図８（Ｃ）は、特願２０１３−１１１４００に於ける変形素子の端部の構造を説明する模式的な斜視図である。

１…板状アクチュエータ
１００…弾性板状部材
１０１…ポケット
８…軸支持用部材
９…支持軸
１０…線状変形素子
１１…支持端部
１１ｈ…軸貫通孔
１２ａ〜ｃ…ねじ
１３…冷媒流路
１４…保持チューブ
１５…鞘構造
１５ａ…冷媒流入口
１６ａ…管体
１６ｂ…弾性素子（つるまきばね）
１７…電気抵抗線
１８…形状記憶合金線材
１９…剛体管
２０…皿ばね
２１…エラストマ管部材
２００…隙間

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。

板状アクチュエータの構成
図１（Ａ）、（Ｂ）を参照して、本発明による板状アクチュエータ１に於いては、図示の如く、任意の寸法の弾性膜（弾性板状部材）１００に於いて、後に詳細に説明される線状の変形素子１０を受容する、複条の、弾性膜１００と略等長のポケット１０１が形成される。弾性膜１００とポケット１０１は、典型的には、ポリウレタン（ウレタンゴム若しくはウレタン樹脂）や熱可塑性エラストマ等の任意の高弾性樹脂膜などから成る膜状部材であってよく、ポケット１０１は、接着又は溶着等により弾性膜１００上に所定の間隔にて設けられてよい。線状の変形素子１０は、各ポケット１０１に挿入され、その長さ方向と垂直な方向について位置決めされ、更に、線状変形素子１０の端には、それぞれ、軸貫通孔１１ｈを有する支持端部１１が取り付けられる。軸貫通孔１１ｈには、支持軸９が貫通され、支持軸９は、弾性膜１００の縁部１００ａ上に於いて軸支持用部材８により覆われるように把持され、これにより、支持端部１１を介して支持軸９によって、複数の線状変形素子１０の長さ方向に位置決めが為されるようになっていてよい。

線状変形素子１０は、図２（Ａ）〜（Ｃ）にて例示されている如く、可撓性の保持チューブ１４に覆われた複数本の形状記憶合金線材１８と電気抵抗線１７との束（１７、１８）からなる伸縮素子１０ａと、かかる伸縮素子の両端に取り付けられる円筒状の管体１６ａ（図中、内部を示すために、破断して描かれている。）と、伸縮素子の両端（図中、一方の端部のみ示されている。）の管体１６ａの間にて伸縮素子１０ａを囲繞する管状又は円筒状の弾性素子１６ｂとから構成される。

形状記憶合金線材１８は、温度上昇に伴って長さ方向に収縮する形状記憶合金からなる任意の線材であってよく、電気抵抗線１７は、電流を流通させることによりジュール熱を発する任意の電導性材料から成る表面が絶縁被覆された線材であってよい。形状記憶合金線材１８と電気抵抗線１７とは、例えば、図２（Ｃ）に例示されている如く、断面に於いて最密格子の如き構造を構成するように配列されてよい。電気抵抗線１７は、図２（Ｂ）にて描かれている如く、束の端部にて折り返された一本の線材であってよく、これにより、伸縮素子に流れる電流量を低く抑えるようになっていてよい。そして、伸縮素子１０ａは、その両端に於いて、剛体管１６ｃが嵌装され（図示の例では三つ）、ねじ１２ａ〜ｃ等の任意の締結手段により管体１６ａに固定される。また、電気抵抗線１７の両端は、端子１７ａが管体１６ａの外部へ引き出され、外部電源（図示せず）に接続される。かくして、端子１７ａを介して、電気抵抗線１７に電流が流通されると、ジュール熱が発生し、形状記憶合金線材１８と電気抵抗線１７との束である伸縮素子１０ａの温度が上昇し、形状記憶合金線材１８の収縮が生ずることとなるので、伸縮素子１０ａの長さが収縮されることとなる。そして、電気抵抗線１７への通電が切断されると、温度が低下し、形状記憶合金線材１８は、元の長さに復元することとなる。なお、伸縮素子１０ａの収縮力は、束に於ける形状記憶合金線材１８の断面積に比例し、各形状記憶合金線材１８の収縮力の総和となるので、高出力化を図る際には、形状記憶合金線材１８の本数が増大され、また、電流流通時の形状記憶合金線材１８の温度上昇を速やかに且つ適切な程度にするために、電気抵抗線１７の本数と印加電圧は、適宜調整される。伸縮素子１０ａの束に於ける形状記憶合金線材１８と電気抵抗線１７との本数の比率は、実験的に決定されてよい。図２（Ｃ）に例示されている如く電気抵抗線１７の周囲に形状記憶合金線材１８を最密格子の形式にて配列した束の構成によれば、電気抵抗線１７は、形状記憶合金線材１８の全長に亘り隣接することとなるので、電気抵抗線１７で発生した熱が形状記憶合金線材１８に速やかに伝達され、迅速な形状記憶合金線材１８の収縮応答性が期待される。伸縮素子１０ａの束に於ける形状記憶合金線材１８と電気抵抗線１７との本数の比率と線材の径とは、実験的に決定されてよい。図２（Ｃ）に例示の配列の場合、形状記憶合金線材１８の径と電気抵抗線１７の径とは、略等しいことが好ましいがこれに限定されない。

弾性素子１６ｂは、典型的には、図２（Ａ）に例示されている如く、つるまきばね等の内部が空洞の円筒形状の、長さ方向に伸縮する弾性体であってよく、内側の空洞に伸縮素子１０ａを受容する。弾性素子１６ｂは、上記の伸縮素子１０ａの両端の管体１６ａの間に取り付けられ固定され、これにより、伸縮素子１０ａの通電による収縮に伴う両端の管体１６ａの間の距離の短縮により、弾性的に収縮されることとなる。そして、伸縮素子１０ａに対する通電が切断されると、伸縮素子１０ａの形状記憶合金線材が伸長するところ、完全に元の長さに復元することを補助すべく、弾性素子１６ｂが、弾性的に両端の管体１６ａの間を引き離すよう作用することとなる。なお、弾性素子１６ｂは、つるまきばねの他、図３（Ａ）に例示の如く、皿ばね２０を数段重ねたもの、或いは、図３（Ｂ）に例示の如く、熱可塑性エラストマ材からなる円筒状の部材２１であってもよい。また、弾性素子１６ｂは、伸縮素子１０ａの両端の管体１６ａの間の全長に亘る長さを有している必要はなく、例えば、図３（Ａ）、（Ｂ）に例示されている如く、伸縮素子１０ａよりも短い複数の弾性体を剛体管１９を介して連結してなる構造（例えば、弾性体と剛体管とを交互に直列した構造）であってもよい。特に、薄型のアクチュエータを構成する場合に、両端の管体１６ａの間が、直径に対して自由長が長い構成（縦横比が極端に高い構成）となるので、弾性素子の軸外変形・破断・塑性変形の回避のために、剛体管１９を介在させた構成が有利である。なお、剛体管１９を介してｎ個の弾性素子を連結する場合の各弾性素子の弾性係数ｋは、全体として要求される弾性係数Ｋを用いて、ｋ＝ｎＫにより与えられる（全ての弾性素子の弾性係数が等しい場合）。

弾性膜１００上に上記の線状変形素子１０の配置する際には、既に触れた如く、ポケット１０１に装入され、更に、両端の管体１６ａに対して、支持端部１１の端１１ｂが固定される。支持端部１１の頭部１１ａの孔１１ｈに支持軸９が挿入されてよい。かかる構成によれば、各線状変形素子１０の長さ方向の位置が固定され、また、複数の線状変形素子１０の端部の位置が弾性膜１００の縁にて整列されることとなる。

更に、上記の線状変形素子１０に於いては、伸縮素子１０ａの線材１７、１８の束を覆う保護チューブ１４と弾性素子１６ｂとの間に鞘構造１５が設けられてよい（即ち、伸縮素子１０ａは、鞘構造１５の内部に挿入され、その状態で、更に、弾性素子１６ｂの内部へ挿入される。）。鞘構造１５の内面と保護チューブ１４の外面との間には、隙間１３が設けられ、更に、鞘構造１５の端部は、保護チューブ１４の表面上にシールされてよい（１５ｂ）。そして、鞘構造１５の一部に孔１５ａが設けられる。かかる孔１５ａは、鞘構造１５の両端近傍にそれぞれ設けられてよく、一方を冷媒流入口として、他方を冷媒流出口として用いて、隙間１３を通して、空気又は水等の冷媒を、伸縮素子１０ａの周囲に流通させるようになっていてよい。かかる冷媒を流通させる構成によれば、通電により一旦温度上昇した伸縮素子１０ａを、通電切断後に、迅速に冷却し、伸縮素子１０ａの伸縮応答性の向上が図られることとなる。

また、更に、図１（Ａ）の如く、変形素子１０が弾性膜１００上に配置される場合、変形素子１０の収縮の際に、その収縮エネルギーの一部は、弾性膜１００の収縮に消費されることとなる。かかるエネルギー消費を低減すべく、図７に示されている如く、弾性膜１００に於いて、変形素子１０の延在方向と垂直な方向に隙間２００が設けられていてよい。この場合、変形素子１０の収縮に伴う弾性膜１００の変形を許すべく、ポケット１０１と弾性膜１００との接着部位は、図中の矢印に示されている部位のみでよい。かかる構成の場合には、弾性膜は、ＦＲＰ薄板の如き、やや、面剛性の高い部材であっても利用可能である。

板状アクチュエータの作動
上記の板状アクチュエータの作動に於いては、図１（Ａ）の如く、複数の線状変形素子を選択的に収縮させ、その収縮させた線状変形素子の位置を移動させることにより、駆動対象となる任意の構造体に作用力を付与する。各線状変形素子の作動に於いては、既に触れた如く、外部電源から電気抵抗線１７に電流が供給されると、電気抵抗線１７はジュール熱を発生し、その熱で形状記憶合金線材１８が収縮する。その際、弾性素子１６ｂは、その長さ方向に収縮するので、線状変形素子は、基本的には、長さ方向に収縮変形することとなる。そして、電気抵抗線１７への通電が停止されると、ジュール熱の発生が無くなるので、形状記憶合金線材１８の温度が低下し、形状記憶合金線材１８の長さが元の長さに戻る方向に伸長する。その際、完全な復元を補助するよう弾性素子１６ｂが弾性的に伸長する力を付与する。また、鞘構造１５による冷媒流通機構が設けられている場合には、形状記憶合金線材１８の温度低下が促進され、伸縮応答性の向上が図られることとなる。

図５は、上記の板状アクチュエータを平面状に展開して作動させた場合の様子を模式的に示した図である。なお、図示の例は、支持軸９を装入しないか、可撓性のある軸を用いた場合である。同図を参照して、この場合、一方の縁にある線状変形素子１０から他方の縁にある線状変形素子１０へ順々に通電のＯＮ／ＯＦＦが実行される。そうすると、通電された線状変形素子１０が収縮することにより、弾性膜１００に凹部が形成され、通電する対象を隣の線状変形素子１０へ移すと、凹部が矢印の方向へ移動していくこととなる。即ち、板状アクチュエータの縁に於いて、波状構造の移動の発生が達成されることとなる。

更に別の例として、図６（Ｂ）は、板状アクチュエータを湾曲させて作動させた場合を示している。この場合、剛固な支持軸９が挿入され、線状変形素子１０が固定されている。かかる状態に於いて、線状変形素子１０へ通電すると、その線状変形素子１０が収縮することにより、図６（Ａ）に模式的に描かれている如く、線状変形素子１０の曲率が小さくなり、板状アクチュエータの湾曲面に於いて局所的な凹領域が形成される。そして、一方の縁にある線状変形素子１０から他方の縁にある線状変形素子１０へ順々に通電のＯＮ／ＯＦＦが実行されると、図６（Ｂ）の如く矢印の方向へ凹領域が移動し、蠕動が発生することとなる。

なお、図示していないが、板状アクチュエータに一本の線状変形素子１０を配置し、その線状変形素子１０を収縮させた状態で、線状変形素子１０の長さ方向に垂直な方向に移動させる機構が用いられてもよく、その場合も、図５、６と略同様の変形作動が得られることとなる。

上記に説明した本発明の有効性を検証するために、以下の如き実験を行った。なお、以下の実施例は、本発明の有効性を例示するものであって、本発明の範囲を限定するものではないことは理解されるべきである。

上記の板状アクチュエータ作成の例を説明する。まず、弾性膜１００として、厚み０．２ｍｍ、長さ２００ｍｍのポリウレタン膜を用い、その表面に、長さ２００ｍｍのポリウレタン膜製のポケット１０１を２０ｍｍの間隔にて熱溶着により固定した。一方、直径ｄ１、長さＬで５％の収縮の形状記憶をさせたＮｉＴｉ形状記憶合金線材１８と、直径ｄ２のエナメル被覆の施されたニクロム線１７を、図２（Ｃ）の配列を基本配列として拡張した構成にて束ねた。その際、直径ｄ１と直径ｄ２とは、略同じであってよい。なお、伸縮素子１０ａの要求出力（収縮力）Ｗを得るために、出力応力σｉの形状記憶合金線材１８を利用する場合、その所要本数ｎは、
ｎ＝４Ｗ／（πｄ１^２σｉ）
により与えられ、ニクロム線１７の本数ｍは、図２（Ｃ）の配列構成によって決定される。σｉ＝約６００ＭＰａの時、ｎ＝４２、ｍ＝１９とすると、線径ｄ１は、１．８ｍｍ程度となる。また、収縮した状態から原形を復帰させる張力がＳｉである形状記憶合金線材１８がｎ本である基準長Ｌの伸縮素子に於いて、収縮率εにて収縮した状態を原形に復帰させるためのばね計数Ｋは、Ｋ＝ｎＳｉ／（εＬ）で与えられるところ、Ｓｉ＝５Ｎ、Ｌ＝２００ｍｍ、ε＝４％、ｎ＝４２とすると、要求されるバネ定数は、２９×１０^３Ｎ／ｍｍ程度である。

かくして、上記で得られた形状記憶合金線材１８とニクロム線１７の束は、内径２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのシリコンチューブ（保護チューブ１４）に、内径３ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの金属管を内装した管の内部へ挿入され、金属管のみが引き抜かれた。なお、金属管の挿入離脱が困難な場合は、保護チューブ１４の全長に亘って軸方向に切り込みスリットが設けられてよい。次いで、上記の形状記憶合金線材１８とニクロム線１７の束を挿入した保護チューブ１４に、両端近傍の円周側面にてそれぞれ直径２ｍｍの孔１５ａが設けられた内径４ｍｍの熱収縮チューブ（鞘構造１５）を外装し、その端部のみ加熱収縮させ、シール（１５ｂ）を形成した。そして、形状記憶合金線材１８とニクロム線１７の束を内包した保護チューブ１４の端部に内径３．１ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの真鍮等の軟質金属管体１６ｃが嵌装された（図示の例では両端に３つずつである。）。更に、上記の軟質金属管体１６ｃの部位に対して、平断面にて千鳥状に３か所Ｍ３の貫通ねじ穴を穿った内径８ｍｍの鋼製管体１６ａを外装し、貫通ねじ穴にＭ３ホーローねじをねじ込み、管体１６ａを伸縮素子１０ａの端部に装着した。なお、線材１７、１８の配向乱れ、過張力による破断を防止すべく、ねじの締めつけは、１２ａ、１２ｂ、１２ｃの順に行った（図２（Ａ）参照）。そして、一方の端の管体１６ａに対して、支持端部１１をねじ締結によって固定した。

次いで、上記までに構成された伸縮素子１０ａの周囲に、つるまきばね１６ｂ、或いは、皿ばね２０若しくは弾性体２１と剛体管１６とを交互に直列に配列した弾性素子を外装した。ばねの仕様について、本作成手順の例の場合には、弾性素子の縦横比が過大であり、つるまきばねでは座屈してしまう場合がある。そこで、本例では、例えば、２４０ＭＰａ程度の圧縮弾性率を有するポリブチレンテレフタレートとポリエーテルのブロック重合体などの熱可塑性エラストマ製で、外径７ｍｍ、長さ５ｍｍの弾性体２１を１０個用い、弾性体２１の間に外径７ｍｍ、長さ１７ｍｍのＦＲＰ製剛体管１９を介在させてなる弾性素子が好適である（上記の必要なばね定数が得られる。）。そして、上記の弾性素子が装着された伸縮素子、即ち、変形素子が、弾性膜１００のポケット１０１へ装入され、支持端部１１の締結がされていない端の管体１６ａに対して支持端部１１が締結された。その後、支持端部１１の孔１１ｈにＧＦＲＰ製支持軸９を通し、ＦＲＰ製の軸支持用部材８により軸９を覆うようにした弾性膜１００に熱溶着により固定し、板状アクチュエータを完成させた。

上記の板状アクチュエータに於いて、室温にて、抵抗線１７に１Ａの電流にて通電−遮断を繰り返したところ、変形素子に於いて、約７０℃まで温度上昇が繰り返し発生し、その際、板状アクチュエータの寸法が局所的に約８ｍｍにて伸縮した。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (1)

1. 板状アクチュエータであって、
   弾性的に変形可能な弾性板状部材と、
   前記弾性板状部材の面上にて該面に沿って配置された少なくとも一つの線状変形素子にして、形状記憶合金線材と電気抵抗線材とを所定の配列にて束ねてなる収縮可能な線状の伸縮素子と、前記伸縮素子の少なくとも一部を囲繞し該伸縮素子の共に長さが弾性的に変形可能な弾性素子と、前記電気抵抗線材へ選択的に通電する通電手段とを含む線状変形素子とを含み、
   前記線状変形素子の長さの変化と共に前記弾性板状部材が変形し、
   長さの変化した前記線状変形素子の位置の変更とともに、前記弾性板状部材の変形部位が変更される板状アクチュエータ。
   

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