JP4960320B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、形状記憶合金の伸縮力を利用したアクチュエータに関する。

従来より、形状記憶合金を利用して細長い部材を湾曲動作させる様々なアクチュエータが知られている。例えば、その細長い部材そのものを弾性部材にて形成し、その部材の長手方向に形状記憶合金からなる線材（以下、「形状記憶合金線」ともいう）を挿通したアクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

同文献に記載の形状記憶合金線は、常温時において長手方向に引っ張られると伸び変形し、加熱されるとその形状回復力によってもとの長さに収縮するものであり、弾性部材の中心軸からずれた位置に挿通されている。細長い部材そのものが弾性を有するため、常温時においては形状記憶合金線を伸長させるとともに自身も伸長した状態を保持するが、その形状記憶合金線を通電加熱して収縮させると、その収縮力が部材において形状記憶合金線が挿通された側に作用する。その結果、部材が湾曲動作をする。通電が停止されると形状記憶合金線の収縮状態が解除されるため、部材はその弾性復帰力によってもとの伸長した状態に戻る。このように、形状記憶合金線への通電をオン・オフすることにより、アクチュエータの湾曲動作またはその解除が切り替えられる。このような形状記憶合金の形状回復力を利用したアクチュエータは、装置の小型化、軽量性、静音性などの優れた特徴を有している。
特公平７−４９７９２号公報

ところで、上述のように細長い部材の中心軸からずれるように形状記憶合金線を配設することにより、その部材を予め定められた方向、つまり形状記憶合金線の位置する側に湾曲させることが可能となるが、単一方向に湾曲するのみではそのアクチュエータの用途も限られてしまうことになる。発明者らは、このような細長い部材の湾曲等の動作にバリエーションを持たせることができればアクチュエータとしての用途を広げることができ、またこれを簡易に実現することによりその汎用性が高まるとの考えに到った。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、細長い部材を変形動作させるアクチュエータの動作の自由度を、簡易な手法により高めることにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のアクチュエータは、可撓性を有する長尺状の可撓性部材と、可撓性部材の長手方向に挿通されてその芯材となる弾性材料からなる第１の線材と、第１の線材に並設されるよう可撓性部材の長手方向に挿通されるとともに、可撓性部材の長手方向の所定位置を境に第１の線材に対する位置関係が異なるように配置された第２の線材と、第２の線材の可撓性部材に挿通された部分の長さを変化させる駆動装置と、を備える。

ここでいう「可撓性部材」は、少なくとも可撓性を有するものであればよいが、さらに変形されたときにもとの形状に回復させるための弾性を有するものであってもよい。また、特に弾性を有しないものであってもよい。芯材としての第１の線材が弾性を有するため、後者の場合であっても可撓性部材には形状に回復させるための弾性力が作用するようになる。「所定位置」は、可撓性部材の長手方向に沿ってひとつ設けられてもよいし、複数設けられてもよい。「第２の線材」は、その可撓性部材に挿通された部分の長さが変化可能であるが、その変化に際して長手方向に伸縮するものであってもよい。あるいは、可撓性部材に対して挿入または引き出されることにより、その挿通部の長さが変化されるものであってもよい。「駆動装置」は、スイッチ等の操作により第２の線材への駆動力をオン・オフする単純な装置であってもよい。あるいは、所定の状態を判定する制御部を内部に有し、予め設定された条件に基づいて第２の線材の駆動量を制御するものであってもよい。

この態様によると、第１の線材が可撓性部材の芯材として機能するため、第２の線材への通電がなされていないときには、可撓性部材は第１の線材のもとの形状にそった形に保持される。一方、第２の線材において可撓性部材に挿通された部分が短くなると、可撓性部材が第１の線材とともに第２の線材の側に引っ張られるように変形する。この態様では、第２の線材が長手方向の所定位置にて第１の線材に対する位置関係が異なるように配置されているため、第２の線材が短くなると、その所定位置を境に可撓性部材の変形する方向が異なるようになる。すなわち、可撓性部材を所定位置を境に異なる方向に湾曲または屈曲させることができる。可撓性部材のその所定位置を基準とする湾曲等の方向は、その所定位置を境とする第１の線材に対する第２の線材の位置関係を変化させるという簡易な手法により変更することができ、アクチュエータの動作の自由度を高めることができる。その結果、アクチュエータの汎用性を高めることができる。

本発明によれば、形状記憶合金を利用して細長い部材を変形動作させるアクチュエータの動作の自由度を、簡易な手法により高めることができる。

本発明の一実施形態にかかるアクチュエータは、可撓性を有する長尺状の可撓性部材と、可撓性部材の長手方向に挿通されてその芯材となる弾性材料からなる第１の線材と、第１の線材に並設されるよう可撓性部材の長手方向に挿通されるとともに、可撓性部材の長手方向の所定位置を境に第１の線材に対する位置関係が異なるように配置された第２の線材と、第２の線材の可撓性部材に挿通された部分の長さを変化させる駆動装置と、を備える。

第２の線材は、その長手方向の所定位置にて第１の線材の周りに局部的にねじられることにより、所定位置を境に第１の線材に対する位置関係が異なるように配置されていてもよい。例えば、可撓性部材の軸線位置に第１の線材を配置するとともに、その周りに第２の線材を配置するように両線材を挿通し、その後、可撓性部材を所定位置にてねじることにより、結果的に第２の部材がねじられるようにしてもよい。その場合、予め所定位置にて分断された可撓性部材に第１の線材および第２の線材を挿通し、その分断された可撓性部材をねじった後に接続してもよい。その際、その接続部を他の部材にて連結してもよい。あるいは、予め可撓性部材における第２の線材の挿通部を所定位置にてねじった形で形成しておき、そこに第２の線材を挿通するようにしてもよい。例えば、予め第１の線材の周りに第２の線材を所定位置にてねじるように配置し、その状態で可撓性部材を形成する材料をモールドしてもよい。あるいは、第１の線材、第２の線材とは異なる通路形成用の仮の線材をそれぞれ用意しておき、その第２の線材に対応する仮の線材をねじった状態にて上記材料をモールドし、その後、仮の線材を第１の線材、第２の線材に入れ替えるようにしてもよい。

第２の線材が、第１の線材の周囲に所定の間隔で複数並設され、駆動装置が、複数の第２の線材のそれぞれの長さを個別に変化させることが可能に構成されていてもよい。これにより、可撓性部材が複数の第２の線材から受ける力の合力の方向を変えることができ、その結果、可撓性部材の変形の方向や変位量をより緻密に調整することができる。

その場合、複数の第２の線材のそれぞれが、可撓性部材の長手方向の同じ位置にて第１の線材に対する位置関係が異なるように配置されていれば、その位置にて可撓性部材を様々な方向に変形させることができる。

可撓性部材が、所定位置を境に第１の部材と第２の部材とに分かれており、第２の線材が所定位置を境に第１の線材に対する位置関係が異なるように配置された後に、第１の部材と第２の部材とを所定位置にて覆うようにして両者を接続固定する関節形成部材が設けられていてもよい。

ここでいう「関節形成部材」は剛体からなるものでもよいが、可撓性材料からなるほうがその所定位置におけるアクチュエータ全体の形状変化をより滑らかにすることができる。このように可撓性部材が第１の部材と第２の部材とに分かれて形成されることにより、それぞれに挿通される第２の線材の位置関係を調整しやすくなる。

関節形成部材が周方向に回転可能に設けられ、その関節形成部材の回転角度を調整することにより、第２の線材の所定位置を境とする部分の周方向の相対位置を変更可能に構成されていてもよい。すなわち、第１の部材と第２の部材とが関節形成部材により一旦固定されても、その関節形成部材を周方向に適宜回転させることにより、第２の線材のねじれ角度、ひいては可撓性部材の動作方向を変化させることができる。その結果、アクチュエータの動作の自由度をより一層高めることができる。

より具体的には、第２の線材として、加熱状態に応じてその長手方向に伸縮する形状記憶合金からなる線材と、駆動装置として、第２の線材と電気的に接続された通電加熱装置と、を備えてもよい。第２の線材を構成する「形状記憶合金」は、常温から加熱されるとマルテンサイト相からオースティナイト相に相転移し、所定の形状にて硬化するものであってよい。そして、温度が低下するとオースティナイト相から再びマルテンサイト相に相転移して軟化し、外力により変形容易となるものであってよい。加熱するとその形状回復力により常温時よりも縮むものであってもよいし、逆に常温時よりも伸びるものであってもよい。前者の場合、加熱すると収縮硬化し、冷却されると弛緩伸長するものでもよい。

この態様によると、第２の線材への通電がなされていないときには、可撓性部材は第１の線材のもとの形状にそった形に保持される。一方、通電によって第２の線材が縮むと、可撓性部材が第１の線材とともに第２の線材の側に引っ張られるように変形するため、可撓性部材を上記所定位置を境に異なる方向に湾曲または屈曲させることができる。

第１の線材が、超弾性を有する超弾性合金からなるものでもよい。ここでいう「超弾性」とは、負荷をかけて変形させても、その負荷を除けば元の形状に戻る特性を意味し、応力をかけることにより大きな歪みで変形しても、その応力を除くことにより速やかに元の形状に戻るものであってよい。「超弾性金属」は、外力を加えるとオーステナイト相が応力誘起マルテンサイトに変わり、その外力を取り除くと元のオーステナイト相に戻る金属であってもよい。このように第１の線材を超弾性合金にて構成することにより、第２の線材への通電を停止したときに可撓性部材を速やかに元の形状に戻すことができ、アクチュエータとしての動作の応答性を高めることができる。

また、第１の線材が金属からなり、第２の線材と電気的に接続されて通電回路を構成していてもよい。第１の線材は、上述した超弾性合金からなるものでもよいし、それ以外の金属からなるものでもよいが、上述した動作の応答性の観点からは前者のほうが好ましい。この態様では、芯材としての第１の線材が通電回路の一部としても機能するため、別途配線を設ける必要もなく部品点数を抑えることができ、構成が簡素化される。第１の線材と第２の線材とが並設されているため、その一端側を電極とし、他端側にて両者を接続することにより通電回路が効率的に形成されるいうメリットもある。

あるいは、第２の線材が、所定位置を境に第１の部分と第２の部分とに分かれており、第１の部分と第２の部分とが所定位置にてリード線により接続されていてもよい。すなわち、第２の線材にねじりを施すことなく、第１の部分と第２の部分とをその第１の線材に対する位置関係が異なるように配置し、その第１の部分の端部と第２の部分の端部をリード線にて連結してもよい。このようにしても、第１の部分と第２の部分とが直列に接続されて第２の線材を長尺状に形成できるとともに、その所定位置を境に第１の線材の位置関係を異ならせることができる。

第２の線材が、第１の線材の周囲に所定の間隔で複数並設され、通電加熱装置が、複数の第２の線材を個別に通電して加熱可能に構成され、所定条件に基づいて通電対象となる第２の線材の組み合わせを変化させてもよい。このように第２の線材が第１の線材に対して異なる位置に複数並設し、そのいずれの第２の線材に通電するかを適宜選択することで、可撓性部材が複数の第２の線材から受ける力の合力の方向を変えることができ、可撓性部材の変形の方向や変位量をより緻密に調整することができるようになる。その結果、アクチュエータの動作のバリエーションをさらに増やすことができる。

また、第２の線材が、第１の線材の周囲に所定の間隔で複数並設され、通電加熱装置が、複数の第２の線材を個別に通電して加熱可能に構成され、所定条件に基づいて通電対象となる第２の線材への通電量を変化させてもよい。このように、通電量を変化させることによっても個々の第２の線材の伸縮量を変化させることができ、その伸縮量の組み合わせにより可撓性部材が湾曲または屈曲する方向や、その変形の程度を変化させることができる。その結果、アクチュエータの動作のバリエーションをさらに増やすことができる。

複数の第２の線材が、互いに第１の線材に対して対称となる位置を除く位置に配置されるのが好ましい。すなわち、仮に第１の線材に対して対称となる位置に第２の線材をそれぞれ配置し、その一方から他方へ通電を切り替えた場合、その一方の第２の線材の徐熱に時間がかかり十分に軟化しない状態で他方の変形による応力をうけ、その一方が破断し易くなることが想定される。この態様では、複数の第２の線材が互いに第１の線材に対して対称となる位置を除く位置に配置されるため、このような状況に到るのを回避または抑制することができる。

第２の線材には、二方向性形状記憶効果を有する形状記憶合金からなるものを採用するのが好ましい。すなわち、加熱時のオーステナイト相の形状だけを記憶するのではなく、常温時のマルテンサイト相の形状をも記憶する形状記憶合金を採用してもよい。この態様によれば、通電・非通電による加熱状態により第２の線材が可逆的に伸縮するため、その変形動作の繰り返しにおける応答性がより高められる。また、変形動作の繰り返しに対して第２の線材の寸法変化が安定するため、その高寿命化を実現することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明を具体化した実施例について詳細に説明する。まず、実施例にかかるアクチュエータの構成および作動原理について説明し、その後、具体的な用途への適用例について説明する。

［実施例］
図１は、実施例に係るアクチュエータの構成を表す図である。
本実施例のアクチュエータ１０は、アクチュエータ本体２０と、これを駆動制御する通電制御装置３０を含んで構成されている。アクチュエータ本体２０は、可撓性を有する長尺状の軟質チューブ２２に１本の超弾性合金線２４と３本の形状記憶合金線２６を挿通して構成されている。軟質チューブ２２は、シリコーン樹脂等の可撓性樹脂材からなり、その長手方向に沿って貫通形成された複数の孔を有する。

軟質チューブ２２にはその軸線に沿った貫通孔と、その貫通孔の周囲に等間隔で設けられた３つの挿通孔が形成されている。軟質チューブ２２の貫通孔には、超弾性合金線２４がその軸線に沿って挿通されてその芯材を構成している。超弾性合金線２４が超弾性金属からなるため、軟質チューブ２２が外力によって撓められても、その外力が解除されると、超弾性合金線２４の弾性復帰力によって元の直線形状に速やかに戻ろうとする。

軟質チューブ２２の３つの挿通孔には、３本の形状記憶合金線２６がそれぞれ挿通されている。形状記憶合金線２６は、いわゆる二方向性形状記憶効果を有するＮｉ−Ｔｉ−Ｃｕ系の形状記憶合金からなり、加熱されると収縮硬化し、徐熱されると弛緩伸長するワイヤ状の線材として形成されている。本実施例では、軟質チューブ２２がその中間位置で第１の部材３２および第２の部材３４に分割されており、両部材が熱収縮チューブ３６にて接続されている。超弾性合金線２４は、第１の部材３２および第２の部材３４にわたって軟質チューブ２２の軸線に沿って延びている。これに対し、各形状記憶合金線２６は、第１の部材３２と第２の部材３４との間に露出した部分を境に超弾性合金線２４の周囲に局部的にねじられるように配置されている。

図２は、第１の部材と第２の部材との接続方法を表す部分拡大図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、両部材の接続過程を表している。図３は、図２（ｂ）の部分断面図である。図３（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図であり、図３（ｂ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。

第１の部材３２と第２の部材３４とを接続する際には、図２（ａ）に示すように、まず両部材に１本の超弾性合金線２４と３本の形状記憶合金線２６とをまっすぐに挿通する。その際、図示のように第１の部材３２と第２の部材３４との対向面に超弾性合金線２４のねじりを許容する所定の感覚をあけておく。なお、本実施例では図示のように、３本の形状記憶合金線２６が超弾性合金線２４を中心に１２０度の等間隔で挿通されている。そして、図２（ｂ）に示すように第１の部材３２と第２の部材３４とを軸線周り（つまり超弾性合金線２４の周り）に回転させてその対向面の挿通孔の位相をずらすようにして、形状記憶合金線２６をねじる。図３（ａ）および（ｂ）から分かるように、本実施例ではこのねじり角度を１８０度に設定している。その状態で軟質チューブ２２の一端から熱収縮チューブ３６を挿通し、図２（ｃ）に示すように、第１の部材３２と第２の部材３４との間に両部材を架け渡すように外挿させる。熱収縮チューブ３６を加熱して両部材に密着させることにより両部材が接続される。このようにして、各形状記憶合金線２６が熱収縮チューブ３６の位置で局部的にねじられた状態が保持される。

図１に戻り、このようにして取り付けられた熱収縮チューブ３６は、軟質チューブ２２の中間位置に設けられた可撓性を有する「関節形成部材」として機能する。超弾性合金線２４と各形状記憶合金線２６とは、その一端側が軟質チューブ２２の一端部にて半田付けされており（同図には半田３８が図示されている）、電気的に接続されている。一方、軟質チューブ２２の他端部からは超弾性合金線２４および形状記憶合金線２６の他端が引き出され、通電制御装置３０につながるリード線４０にそれぞれ接続されている。

図４は、アクチュエータの駆動制御装置の電気的構成を表す概略図である。
上述のように、アクチュエータ本体２０において、超弾性合金線２４と形状記憶合金線２６とは電気的に接続されており、アクチュエータ１０の制御回路の一部を構成している。図示のように、互いに並列に接続された３本の形状記憶合金線２６が、超弾性合金線２４に直列に接続されている。３本の形状記憶合金線２６の各々には、線材スイッチとしての第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２、第３トランジスタＴｒ３がそれぞれ直列に接続され、各トランジスタには電源５０が直列に接続されている。各トランジスタは、対応する形状記憶合金線２６への通電を制御するためのスイッチの役割を果たす。この通電は制御部５２により制御される。なお、本実施例では、線材スイッチとしてトランジスタを用いる例を示すが、手動操作可能なオン・オフスイッチにて構成してもよい。

制御部５２は、マイクロコンピュータからなり、各種演算処理を実行するＣＰＵ、制御演算プログラムやデータを格納したＲＯＭ、演算過程の数値やフラグが所定領域に格納されるＲＡＭ、各種信号が入出力される入出力インタフェース等を備えている。制御部５２は、いわゆるＰＷＭ制御により各トランジスタをオン・オフするための電流パルス信号のデューティ比を調整し、電源５０から形状記憶合金線２６へ流れる通電量を制御する。いずれかのトランジスタがオンされると、それに直列に接続された形状記憶合金線２６に通電がなされる。その通電電流は、超弾性合金線２４を通って帰還する。通電により加熱された形状記憶合金線２６が緊張収縮するため、それによりアクチュエータ本体２０が所定の方向に湾曲する。制御部５２は、外部入力に基づいて３つの形状記憶合金線２６の通電制御を実行する。制御部５２は、通常はいずれかの１つの形状記憶合金線２６を選択して通電するが、アクチュエータ本体２０の動作方向によっては複数の形状記憶合金線２６に通電することもできる。

図５は、アクチュエータの作動原理を表す概略図である。なお、同図においては説明の便宜上、３本の形状記憶合金線２６のうちの１本のみを示している。図中破線が超弾性合金線２４を示し、一点鎖線がその形状記憶合金線２６を示している。また、その形状記憶合金線２６が非通電状態にあるときのアクチュエータ本体２０を点線にて示し、形状記憶合金線２６が通電状態にあるときのアクチュエータ本体２０を実線にて示している。

すなわち、形状記憶合金線２６が通電状態にあるときには、超弾性合金線２４の超弾性によりアクチュエータ本体２０はまっすぐに伸びた形状をなす。このとき、形状記憶合金線２６は弛緩伸長しており、ねじれ分の長さを除き、軟質チューブ２２とほぼ等しい長さとなっている。一方、形状記憶合金線２６に通電がなされると、形状記憶合金線２６が緊張収縮するため、その全長が短くなる。その結果、軟質チューブ２２が超弾性合金線２４とともに形状記憶合金線２６側に引っ張られるように変形するため、熱収縮チューブ３６の位置を境に異なる方向に湾曲される。

本実施例では形状記憶合金線２６がその熱収縮チューブ３６の位置で１８０度の位相分ねじられているため、第１の部材３２と第２の部材３４の湾曲方向が互いに反対方向となっている。図示の例では、第１の部材３２および第２の部材３４がそれぞれ約９０度湾曲する通電量に制御しているため、第２の部材３４において一旦図の外方に湾曲した後に、第１の部材３２において図の上方に湾曲している。その結果、アクチュエータ本体２０の上面が元と同じ上方を向いている。この湾曲角度等については、形状記憶合金線２６への通電量を調整することにより変化させることができる。

図６は、アクチュエータの動作のバリエーションを表す概略図である。同図（ａ）〜（ｃ）は、アクチュエータの動作の態様の一部を表している。
上述のように、形状記憶合金線２６への通電によりアクチュエータ本体２０の形状を変化させることができる。図５においては形状記憶合金線２６の１つに通電を行ったときの例を示したが、３本の形状記憶合金線２６への通電を切り替えることにより、アクチュエータ本体２０の湾曲方向を変化させることができる。すなわち、形状記憶合金線２６の１本に通電すると、アクチュエータ本体２０は図６（ａ）に実線にて示すように変形するが、通電対象となる形状記憶合金線２６を他の２本に順次切り替えると、それぞれ同図（ｂ）、同図（ｃ）に実線にて示すように変形する。すなわち、通電対象となる形状記憶合金線２６を切り替えることにより、アクチュエータ本体２０を外方の３方向に自由に湾曲させることができる。なお、図示の例では、形状記憶合金線２６のいずれか１つに通電したときのアクチュエータ本体２０の動作のバリエーションを示したが、いずれか２本あるいは３本全てに通電し、さらに各形状記憶合金線２６への通電量を調整すれば、より細かな動作制御を実現することができるようになる。

次に、本実施例のアクチュエータ１０の利用例について説明する。アクチュエータ１０は、体内に挿入したイメージセンサや鏡やプリズム、レンズ等の光学機器、または、液体の噴射装置を移動させ医療的作用を得ようとする機械的装置に適用することができる。あるいは、おもちゃや看板、広告、などの表示装置、または、表現装置における形状の変化から、異なる意味合いや情感を喚起させる機械的装置に適用することもできる。各機械的装置の駆動対象にアクチュエータ１０を組み込み、各機械的装置の制御部によりアクチュエータ１０への通電制御を行ってこれを動作させるようにしてもよい。以下、アクチュエータ１０の具体的用途について例示する。
図７〜図１４は、本実施例のアクチュエータの用途を例示した図である。図７〜図９は、実施例のアクチュエータを内視鏡に適用した例を示している。図７（ａ）は内視鏡の装置全体を表す概略図であり、同図（ｂ）はそのカメラが取り付けられる先端部近傍の拡大図である。

内視鏡１１０のチューブ１１２には、そのほぼ全長にわたってアクチュエータ本体２０が組み込まれている。チューブ１１２の先端にはカメラ１１４が設けられており、その近傍にアクチュエータ本体２０の熱収縮チューブ３６、つまりアクチュエータ本体２０の湾曲動作部が位置している。そのため、図示のように、内視鏡１１０は、アクチュエータ本体２０内の形状記憶合金線への通電により、そのチューブ１１２の先端部が軸線と直角方向に湾曲するが、カメラ１１４は進行方向を向くように保たれる。複数の形状記憶合金線のいずれを通電対象にするかによって、カメラ１１４をその進行方向に垂直な仮想平面１１６上で矢印にて示すように変位させることができる。すなわち、内視鏡１１０の首を所望の方向に振ることができる。形状記憶合金線が非通電の状態では、チューブ１１２はそのような局部的な湾曲をせずに伸びた状態となる。

このため、図８上段に示すように、例えば内視鏡１１０がそのカメラ１１４が挿入される検出対象１１８の分岐点に差し掛かっても、その分岐点に引っ掛かることなく、同図下段に示すように、いずれかの分岐路へ進ませることができる。また、図９上段に示すように、カメラ１１４が検出対象１１８の隆起部等の障害物に差し掛かっても、それに引っ掛かることなく、同図下段に示すように前方に進ませることができるようになる。

図１０は、実施例のアクチュエータを液体噴射装置に適用した例を示している。
液体噴射装置１２０は、ポンプ等の駆動装置１２２から延びるホース１２４の先端にノズル１２６が設けられている。ホース１２４には、図７に示した内視鏡１１０のチューブ１１２と同様に、そのほぼ全長にわたってアクチュエータ本体２０が組み込まれている（同図においては図示せず）。形状記憶合金に通電を行う制御部は、駆動装置１２２等に組み込まれていてもよい。このように、可撓性を有する管状部材にアクチュエータ本体２０を組み込むことで、様々な用途に適用されうる。

図１１は、実施例のアクチュエータをパフォーマンスオブジェに適用した例を示している。
かかしの形をした踊る人形１３０の胴体１３２には、そのほぼ全長にわたってアクチュエータ本体２０が組み込まれている（同図においては図示せず）。人形１３０の胴体１３２の所定位置からは２本の腕１３４が互いに反対方向に延出している。アクチュエータ本体２０の湾曲動作部は、その腕１３４のつけねの位置に配置されている。このため、形状記憶合金線への非通電時においては、人形１３０は同図中央に示すように、ほぼ直立した状態となるが、形状記憶合金線への通電を行い、それを切り替えることにより、同図左方または右方に示すように胴体１３２を曲げたような姿勢をするようになる。

図１２は、実施例のアクチュエータをロボットのアームに適用した例を示している。同図（ａ）はロボットの外観を表し、同図（ｂ）はロボットのアームの動作を表している。 同図（ａ）に示すように、ロボット１４０のアーム１４２には、そのほぼ全長にわたってアクチュエータ本体２０が組み込まれている（同図においては図示せず）。すなわち、アーム１４２は、可撓性を有する樹脂材にワイヤ状の超弾性合金線および形状記憶合金線が挿通して構成されている。その形状記憶合金に通電を行う制御部は、ロボット１４０の制御部と一部としてその内部に組み込まれていてもよい。同図（ｂ）に示すように、形状記憶合金が非通電状態のときには図中左側に示すようにアーム１４２が閉じ、通電状態になると図中右側に示すようにアーム１４２が開く。このロボット１４０を観賞用のオモチャとして構成する場合には超弾性合金線および形状記憶合金線の強度は特に問題とならないが、そのアーム１４２により物を把持可能にするためには、比較的太いワイヤ状の材料にて構成するのが好ましい。

図１３は、実施例のアクチュエータを立体動作表示器に適用した例を示している。
立体動作表示器としてのお天気表示器１５０には、その中央に配置した太陽の顔の口１５２と、その顔の周りの複数の炎１５４が長尺状の可撓性部材により形成され、その各々のほぼ全長にわたってアクチュエータ本体２０が組み込まれている（同図においては図示せず）。その形状記憶合金に通電を行う制御部は、例えばそのお天気表示器１５０の背後に設けられていてもよい。同図上段に示すように、形状記憶合金が非通電状態のときには口１５２および炎１５４はまっすぐに伸びた状態となるが、通電状態になると同図下段に示すように収縮してＳ字状に変形した状態となる。これにより、例えば夏のギラギラした天候を示すなどの演出を行うことができる。

図１４は、実施例のアクチュエータを看板表示器に適用した例を示している。同図（ａ）は温泉マークの看板に適用した例を示し、同図（ｂ）はインフォメーションの看板に適用した例を示している。
同図（ａ）に示す看板表示器１６０は、温泉マークにおける湯気１６２の部分が３本の長尺状の可撓性部材にて構成され、その各々のほぼ全長にわたってアクチュエータ本体２０が組み込まれている（同図においては図示せず）。その形状記憶合金に通電は通電制御装置３０により行われる。同図上段に示すように、形状記憶合金が非通電状態のときには湯気１６２がまっすぐに伸びた状態となるが、通電状態になると同図下段に示すように収縮してＳ字状に変形した状態となる。このような動作演出を繰り返すことにより、顧客の興味を引き立てることができる。

同図（ｂ）に示す看板表示器１７０は、インフォメーション表示における特定の文字１７２の一部が長尺状の可撓性部材にて構成され、その各々のほぼ全長にわたってアクチュエータ本体２０が組み込まれている（同図においては図示せず）。その形状記憶合金に通電は通電制御装置３０により行われる。同図左側に示すように、形状記憶合金が非通電状態のときには「！」を表示するが、通電状態になると同図下段に示すように収縮してＳ字状に変形し、「？」を表示するようになる。このように文字の一部を変形して異なる文字を表すように機能させることもできる。

以上に説明したように、本実施例においては、超弾性合金線２４が軟質チューブ２２の芯材として機能するため、形状記憶合金線２６への通電がなされていないときには、アクチュエータ本体２０は超弾性合金線２４のもとの形状に沿ったまっすぐな形に保持される。一方、形状記憶合金線２６において軟質チューブ２２に挿通された部分が短くなると、軟質チューブ２２が超弾性合金線２４とともに形状記憶合金線２６の側に引っ張られるように変形する。形状記憶合金線２６が長手方向の所定位置にてねじられ、超弾性合金線２４に対する位置関係が異なるように配置されているため、形状記憶合金線２６が短くなると、その所定位置を境にアクチュエータ本体２０の変形する方向が異なるようになる。すなわち、アクチュエータ本体２０を所定位置を境に異なる方向に湾曲または屈曲させることができる。アクチュエータ本体２０のその所定位置を基準とする湾曲等の方向は、その所定位置を境とする超弾性合金線２４に対する形状記憶合金線２６の位置関係を変化させるという簡易な手法により変更することができ、アクチュエータの動作の自由度を高めることができる。その結果、アクチュエータの汎用性を高めることができる。

また、本実施例では、３本の形状記憶合金線２６が超弾性合金線２４を中心に１２０度の等間隔で挿通されるようにし、形状記憶合金線２６のねじり角度を１８０度に設定することで、複数の形状記憶合金線２６が、互いに超弾性合金線２４に対して対称となる位置を除く位置に配置されるようにした。その結果、通電対象となる形状記憶合金線２６を切り替える際に通電がオフされた形状記憶合金線２６が十分に徐熱されずに曲げ応力をうけ、軟化しない状態で破断に到るような事態が防止されている。

本発明は上述の各実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施例に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施例も本発明の範囲に含まれうる。

上記実施例においては、軟質チューブ２２を第１の部材３２および第２の部材３４に分割して構成し、両部材を熱収縮チューブ３６にて接続する構成を示した。変形例においては、軟質チューブ２２を分割することなく、１つの長尺状の可撓性チューブより構成してもよい。例えば、超弾性合金線２４を挿通させる貫通孔を形成するための型用の第１線材、および形状記憶合金線２６を挿通させる挿通孔を形成させるための型用の第２線材を用意しておき、第１線材に対して第２線材を所定位置にてねじるように配置した状態で樹脂モールドを行い、軟質チューブを形成してもよい。そのようにして、貫通孔および挿通孔が形成された軟質チューブから型用の線材を抜き取り、超弾性合金線２４、形状記憶合金線２６を挿通してもよい。これにより、熱収縮チューブ３６等の関節形成部材を省略することができ、アクチュエータ本体の外観をスッキリさせることができる。

上記実施例では、軟質チューブ２２を第１の部材３２および第２の部材３４に分割して構成し、両部材にわたって形状記憶合金線２６を挿通させるようにした。変形例においては、形状記憶合金線を両部材に対応するように分割しておき、それらを十分な強度を有するリード線等により接続してもよい。その場合、第１の部材３２および第２の部材３４においてその軸線を中心とした周方向の位相が異なる形状記憶合金をロウ材等を用いてリード線と簡易に接続することができる。それにより形状記憶合金線２６にねじりを加える必要がなくなり、作業性が向上する可能性がある。

上記実施例では、アクチュエータ本体２０として、関節形成部材が位置する湾曲部を１箇所設けた簡素な形状を示した。変形例においては、軟質チューブ２２の長手方向に複数の湾曲部を設けてもよい。つまり、形状記憶合金線２６がその長手方向の複数箇所でねじられる構成としてもよい。また、上記実施例では、超弾性合金線２４の周りに形状記憶合金線２６を３本配置した例を示したが、４本以上配置してもよい。さらに、上記実施例では、形状記憶合金線２６の配置間隔（角度）やねじれ角度の一例を示したが、適宜設定変更可能であることはいうまでもない。また、例えば熱収縮チューブ３６ではなく、周方向の回転角度を適宜調整可能な接続部材を介装させてもよい。それにより形状記憶合金線２６のねじれ角度を変化可能にすることで、アクチュエータ本体の湾曲の角度を微調整することも可能になる。このような工夫により、アクチュエータの動作のバリエーションがより豊かになる。

上記実施例においては、アクチュエータ１０として形状記憶合金線２６の通電による伸縮を利用した形態を示した。変形例においては、形状記憶合金線でない金属ワイヤを用い、その金属ワイヤを巻き取り可能な駆動装置を設けるようにしてもよい。具体的には、軟質チューブ２２の軸線に沿って超弾性合金線２４等の高弾性部材を挿通するとともに、その周囲に所定の間隔で金属ワイヤを並設するように挿通してもよい。その場合、金属ワイヤは軟質チューブ２２の中間位置にて同様にねじられるものとする。そして、アクチュエータ本体の外部に金属ワイヤを個別に巻き取り可能な巻き上げ機を配置し、いずれかの金属ワイヤを巻き取り可能に構成してもよい。この巻き取りにより該当する金属ワイヤの軟質チューブ２２における挿通部の長さを短くすることにより、アクチュエータ本体を所定の方向に湾曲または屈曲させることができる。巻き上げ機の駆動力をオフにするなどしてその張力を開放すれば金属ワイヤが弛緩されるので、その巻回状態が解かれ、超弾性合金線２４の弾性復帰力により、アクチュエータ本体を元のまっすぐな形状に戻すことができる。なお、巻き上げ機は、例えばモータなどの回転型アクチュエータ、あるいは油圧シリンダなどの直動型アクチュエータを用いて構成することが可能である。なお、この変形例においては金属ワイヤを用いる例を示したが、ワイヤの材質は金属に限らず、例えばアラミド繊維等からなる繊維状の線材や、ナイロン等からなる樹脂製の線材であってもよく、アクチュエータとして耐えうる強度を有する線材であればよい。

実施例に係るアクチュエータの構成を表す図である。 第１の部材と第２の部材との接続方法を表す部分拡大図である。 図２（ｂ）の部分断面図である。 アクチュエータの駆動制御装置の電気的構成を表す概略図である。 アクチュエータの作動原理を表す概略図である。 アクチュエータの動作のバリエーションを表す概略図である。 実施例のアクチュエータの用途を例示した図である。 実施例のアクチュエータの用途を例示した図である。 実施例のアクチュエータの用途を例示した図である。 実施例のアクチュエータの用途を例示した図である。 実施例のアクチュエータの用途を例示した図である。 実施例のアクチュエータの用途を例示した図である。 実施例のアクチュエータの用途を例示した図である。 実施例のアクチュエータの用途を例示した図である。

符号の説明

１０ アクチュエータ、 ２０ アクチュエータ本体、 ２２ 軟質チューブ、 ２４ 超弾性合金線、 ２６ 形状記憶合金線、 ３０ 通電制御装置、 ３２ 第１の部材、 ３４ 第２の部材、 ３６ 熱収縮チューブ、 ４０ リード線、 ５０ 電源、 ５２ 制御部、 １１０ 内視鏡、 １１２ チューブ、 １１４ カメラ、 １１６ 仮想平面、 １１８ 検出対象、 １２０ 液体噴射装置、 １２２ 駆動装置、 １２４ ホース、 １２６ ノズル、 １３０ 人形、 １３２ 胴体、 １３４ 腕、 １４０ ロボット、 １４２ アーム、 １５０ 天気表示器、 １６０ 看板表示器、 １７０ 看板表示器。

Claims (14)

1. 可撓性を有する長尺状の可撓性部材と、
   前記可撓性部材の長手方向に挿通されてその芯材となる弾性材料からなる第１の線材と、
   前記第１の線材に並設されるよう前記可撓性部材の長手方向に挿通されるとともに、前記可撓性部材の長手方向の中間の所定位置を境に、その所定位置の長手方向一方の側の軸線と長手方向他方の側の軸線とが前記第１の線材の軸線に対して反対側に位置するように設けられた第２の線材と、
   前記第２の線材の前記可撓性部材に挿通された部分の長さを変化させる駆動装置と、
   を備えることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記第２の線材が、その長手方向の前記所定位置にて前記第１の線材の周りに局部的にねじられることにより、前記所定位置を境にその所定位置の長手方向一方の側の軸線と長手方向他方の側の軸線とが前記第１の線材の軸線に対して反対側に位置するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第２の線材が、前記第１の線材の周囲に所定の間隔で複数並設され、
   前記駆動装置が、前記複数の第２の線材のそれぞれの長さを個別に変化させることが可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記複数の第２の線材のそれぞれが、前記可撓性部材の長手方向の同じ位置にて、その長手方向一方の側の軸線と長手方向他方の側の軸線とが前記第１の線材の軸線に対して反対側に位置するように設けられていることを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記可撓性部材が、前記所定位置の長手方向一方の側に設けられる第１の部材と長手方向他方の側に設けられる第２の部材とに分かれており、
   前記第２の線材の長手方向一方の側が前記第１の部材に挿通される一方、長手方向他方の側が前記第２の部材に挿通されつつ、前記第２の線材が前記所定位置を境に長手方向一方の側の軸線と長手方向他方の側の軸線とが前記第１の線材の軸線に対して反対側に位置するように配置された後に、前記第１の部材と前記第２の部材とを前記所定位置にて覆うようにして両者を接続固定する関節形成部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 前記関節形成部材が周方向に回転可能に設けられ、その前記関節形成部材の回転角度を調整することにより、前記第２の線材の前記所定位置を境とする部分の周方向の相対位置を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 前記第２の線材として、加熱状態に応じてその長手方向に伸縮する形状記憶合金からなる線材と、
   前記駆動装置として、前記第２の線材と電気的に接続された通電加熱装置と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 前記第１の線材が、超弾性を有する超弾性合金からなることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータ。
9. 前記第１の線材が金属からなり、前記第２の線材と電気的に接続されて通電回路を構成していることを特徴とする請求項７または８に記載のアクチュエータ。
10. 前記第２の線材が、前記所定位置の長手方向一方の側に設けられる第１の部分と長手方向他方の側に設けられる第２の部分とに分かれており、前記第１の部分と前記第２の部分とが前記所定位置にてリード線により接続されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のアクチュエータ。
11. 前記第２の線材が、前記第１の線材の周囲に所定の間隔で複数並設され、
    前記通電加熱装置が、前記複数の第２の線材を個別に通電して加熱可能に構成され、所定条件に基づいて通電対象となる第２の線材の組み合わせを変化させることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
12. 前記第２の線材が、前記第１の線材の周囲に所定の間隔で複数並設され、
    前記通電加熱装置が、前記複数の第２の線材を個別に通電して加熱可能に構成され、所定条件に基づいて通電対象となる第２の線材への通電量を変化させることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
13. 前記複数の第２の線材が、互いに前記第１の線材に対して対称となる位置を除く位置に配置されていることを特徴とする請求項７〜１２のいずれかに記載のアクチュエータ。
14. 前記第２の線材が、二方向性形状記憶効果を有する形状記憶合金からなることを特徴とする請求項７〜１３のいずれかに記載のアクチュエータ。

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