(57)【要約】【課題】  加熱時に２方向の動作を行う形状記憶ポリマと形状記憶合金の形状記憶複合体を提供する。【解決手段】  ある形状回復動作を記憶した形状記憶ポリマと、形状記憶ポリマの回復動作と別の方向の形状回復動作を記憶した形状記憶合金とからなり、▲１▼形状記憶ポリマの形状回復温度（ガラス転移温度、Ｔｇ）が室温より高く、▲２▼形状記憶合金の形状回復温度（マルテンサイト逆変態温度、Ａｆ）がＴｇ温度より高く、▲３▼形状記憶合金のＭｆ点またはＲｆ点が室温以上で、Ｔｇ温度直前まで加熱を行うと、形状記憶ポリマが記憶した形状から形状記憶合金が記憶した別の形状に徐々に変化し、さらにＴｇ温度以上まで加熱を行うと、いったん形状記憶ポリマの記憶した形状に回復しその後形状記憶合金が記憶した形状に回復することを特徴とする形状記憶複合体。【選択図】図１
2019089306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある形状回復動作を記憶した形状記憶ポリマと、形状記憶ポリマの回復動作と別の方向の形状回復動作を記憶した形状記憶合金とからなり、▲１▼形状記憶ポリマの形状回復温度（ガラス転移温度、Ｔｇ）が室温より高く、▲２▼形状記憶合金の形状回復温度（マルテンサイト逆変態温度、Ａｆ）がＴｇ温度より高く、▲３▼形状記憶合金のＭｆ点またはＲｆ点が室温より高く、Ｔｇ温度直前まで加熱を行うと、形状記憶ポリマが記憶した形状から形状記憶合金が記憶した別の形状に徐々に変化し、さらにＴｇ温度以上まで加熱を行うと、いったん形状記憶ポリマの記憶した形状に回復しその後形状記憶合金が記憶した形状に回復することを特徴とする形状記憶複合体。
【請求項２】
形状記憶ポリマが、ポリウレタン、ポリイソプレン、スチレン・ブタジエン共重合体、ポリエチレン、ポリノルボルネンから選ばれるポリマである請求項１記載の形状記憶複合体。
【請求項３】
形状記憶合金が、Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金、Ｔｉ−Ｎｂ系形状記憶合金、Ｔｉ−Ｍｏ系形状記憶合金、銅系形状記憶合金である請求項１記載の形状記憶複合体。
【請求項４】
形状記憶合金の周りに、あらかじめ形状を記憶している形状記憶ポリマを被覆してなる請求項１記載の形状記憶複合体。
【請求項５】
形状記憶合金に、あらかじめ形状を記憶している形状記憶ポリマをホットプレスすることを特徴とする形状記憶複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】      本発明は、形状記憶複合体に対し、加熱のみを行うことで２方向の動作を行う形状記憶複合体に関する。
【背景技術】
【０００２】      形状記憶効果を持つポリマや合金は数多く知られている。中でも形状記憶ポリマ（以下「ＳＭＰ」という）としては、ポリウレタン、ポリイソプレン、スチレン・ブタジエン共重合体、ポリエチレン、ポリノルボルネンが、形状記憶合金（以下「ＳＭＡ」）としては、Ｔｉ−Ｎｉ系、Ｔｉフリー系、銅系、鉄系のものが、実用に供せられている。ＳＭＰとＳＭＡからなる複合体（特許文献１参照）は、加熱と冷却により、加熱時にＳＭＡの記憶形状に変化し、冷却時にＳＭＰの記憶形状に変化する形状記憶複合体を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１９９０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】    形状記憶効果を持つポリマや合金は数多く知られている。中でも形状記憶ポリマ（以下「ＳＭＰ」という）としては、ポリウレタン、ポリイソプレン、スチレン・ブタジエン共重合体、ポリエチレン、ポリノルボルネンが、形状記憶合金（以下「ＳＭＡ」）としては、Ｔｉ−Ｎｉ系、Ｔｉフリー系、銅系、鉄系のものが、実用に供せられている。ＳＭＰとＳＭＡからなる複合体（特開平８−１９９０８０）では、加熱と冷却により、加熱時にＳＭＡの記憶形状に変化し、冷却時にＳＭＰの記憶形状に動作する形状記憶複合体が開示されている。この形状記憶複合体は、冷却と加熱により２方向の形状回復を行う内容であり、本発明の加熱のみで２方向の形状回復を行うものではない。特許文献１で示される形状記憶複合体では、効率的に冷却できないために冷却速度が遅く、冷却時の応答性が悪い欠点がある。【０００５】      したがって本発明は、形状記憶複合体を加熱のみで異なる方向に動作させるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】      本発明は、ある形状回復動作を記憶した形状記憶ポリマと、形状記憶ポリマの回復動作と別の方向の形状回復動作を記憶した形状記憶合金とからなり、▲１▼形状記憶ポリマの形状回復温度（ガラス転移温度、Ｔｇ）が室温より高く、▲２▼形状記憶合金の形状回復温度（マルテンサイト逆変態温度、Ａｆ）がＴｇ温度より高く、▲３▼形状記憶合金のＭｆ点またはＲｆ点が室温より高く、室温以上でＴｇ温度直前まで加熱を行うと形状記憶ポリマが記憶した形状から形状記憶合金が記憶した別の形状に徐々に変化し、さらにＴｇ温度以上まで加熱を行うと、いったん形状記憶ポリマの記憶した形状に回復しその後形状記憶合金が記憶した形状に回復することを特徴とする。【０００７】      本発明により、冷却速度が遅いために冷却時の応答性が悪い形状記憶複合体の欠点が改善できる。【０００８】      本発明の形状記憶複合体をロボットハンドに応用すれば、加熱のみでロボットハンドで物を掴み、移動させた物を離すことができるため、ロボットハンドの小型化が可能となる。【０００９】      本発明で使用されるＳＭＰは、現在ＳＭＰとして使用されている物であれば、特別の限定なく使用できる。例えば、ポリウレタン、ポリイソプレン、スチレン・ブタジエン共重合体、ポリエチレン、ポリノルボルネンなどが挙げられる。中でも、構成成分の組み合わせを変化させることにより、ガラス転移温度（以下「Ｔｇ」という）を任意に設定できる点からポリウレタンが望ましい。【００１０】      形状記憶ポリウレタンは、主成分としてソフトセグメントを構成するポリオール、ハードセグメントを構成する鎖延長剤及びジイソシアメートとを含むブロック共重合体である。ポリウレタンは、構成成分のモル比により、自由に形状回復温度Ｔｇを−３０℃から６０℃まで自由に変えられる。【００１１】      本発明で使用されるＳＭＡは、ＳＭＰの整形温度以下であれば、特別に制限なしで使用できる。例えば、ＳＭＡの形状回復温度がＳＭＰの整形温度よりかなり低い、Ｔｉ−Ｎｉ系ＳＭＡおよび銅系ＳＭＡが好ましい。【００１２】      Ｔｉ−Ｎｉ系ＳＭＡとして、Ｔｉ−Ｎｉ２元系、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ合金、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｎｂ合金、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｐｄ合金、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｈｆ合金、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｚｒ合金等が挙げられる。Ｔｉ−Ｎｉ２元合金の形状回復温度は、−１０℃〜１００℃である。【００１３】      Ｔｉ−Ｎｉ系ＳＭＡは、低温ではマルテンサイト相（以下「Ｍ相」という）やＲ相の構造であり、ある温度以上で母相（オーステナイト相）の構造に相変態する材料である。形状回復効果は、この相変態を利用する。Ｍ相やＲ相のＴｉ−Ｎｉ系ＳＭＡを加熱していくと、徐々に母相への変態（マルテンサイト逆変態）が発生し、やがて完全なる母相になる。一般に、この母相変態の開始する温度をＡｓ点、終了する温度をＡｆ点と呼ぶ。通常Ａｆ点が形状記憶合金の形状回復温度とされる。逆に母相となっている温度域から冷却していくと、徐々にマルテンサイト変態が発生し、やがて完全なＭ相になる。母相変態と同様、マルテンサイト変態の開始温度をＭｓ点、終了温度をＭｆ点と呼ぶ。Ｔｉ−Ｎｉ２元合金では、このＭｆ点がＡｆ点に比べ３０℃程度低いという性質がある。これは、温度システリシスと呼ばれるが、温度変化によりＴｉ−Ｎｉを動作させる場合には、この温度ヒステリシスを考慮する必要がある。なお、Ｔｉ−Ｎｉを特定の条件で加工熱処理した場合、Ｍ相と母相の間にＲ相（菱面体構造）と呼ばれる相が出現する。Ｒ相は、通常のＭ相−母相間での形状回復量が最高６％であるのに対して、温度ヒステリシスが３℃程度と小さいため、温度変化に対する応答性が要求される場合に、母相−Ｒ相変態がよく利用される。Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ系ＳＭＡは、この温度ヒステリシスが１２℃程度とＴｉ−Ｎｉ２元合金に比べて小さく、一方、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｎｂ系ＳＭＡでは１５０℃程度とＴｉ−Ｎｉ２元合金より大きい。従って、それぞれの用途に応じて使い分けることができる。【００１４】      銅系ＳＭＡとして、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ合金等が挙げられる。銅系のマルテンサイト逆変態温度は、−１００℃から１５０℃である。銅系ＳＭＡの形状記憶機構は、Ｔｉ−Ｎｉ系とほぼ同じである。強度、耐食性や信頼性の面でＴｉ−Ｎｉ系ＳＭＡの方が優れているが、加工性や経済性の点では銅系ＳＭＡの方が優れている。【００１５】      本発明の複合体は、上記したＳＭＰとＳＭＡから任意に選んで組み合わせることができる。ただし、加熱によりＳＭＰの記憶形状に回復する必要があるため、Ｔｇ温度は室温より高くなければならない。また、Ｔｇ温度付近で、ＳＭＰの回復力がＳＭＡの回復力を上回らなければいけないため、ＳＭＡのＡｆ点が、ＳＭＰのＴｇよりも高い必要がある。さらに、ＳＭＡは室温で形状回復力を小さくしＳＭＰの変形を妨げない必要があるため、Ｍｆ点及びＲｆ点が、室温より高くなければならない。【００１６】      ＳＭＰとＳＭＡの形状回復温度の差は特に制限はないが、実用性を考慮することＴｇがＭｓより１０℃以上高い、好ましくは２０℃以上高いものがよい。【００１７】      好ましいＳＭＰとＳＭＡの組み合わせは、Ｔｇが４０℃〜６０℃の形状記憶ポリウレタンとＡｆが８０℃〜１００℃のＴＩ−Ｎｉ２元ＳＭＡが挙げられる。【００１８】      上記したように、本発明の複合体は、室温からＴｇ温度直下までの加熱による温度上昇により、ＳＭＰの形状固定性効果が弱まることで、ＳＭＰの発生力が下がり、反対にＳＭＡの回復力が増加することで、徐々にＳＭＡの記憶形状へと変形する。ＳＭＰは、Ｔｇ温度を超えると急激にＳＭＰが記憶している形状に形状回復する。複合体の温度がＳＭＡのＡｆ温度を超えると、ＳＭＡが記憶している形状に急激に変形する。【００１９】      具体的なＳＭＰとＳＭＡの組み合わせ方に特別の制限はない。ＳＭＰはあらかじめ形状を記憶させておく必要がある。例えば、図１に示すように、ＳＭＡ１にＳＭＰ２を直接被覆してもよい。ＳＭＡ１を曲がった形状に記憶させ、これを伸ばして直線状とし、その上にＳＭＰ２を被覆してもよい。
【発明の効果】
【００２０】      以上のように本発明によれば、加熱のみで２方向の動作を行う形状記憶複合体が作れ、形状記憶複合体の、冷却時の応答速度が遅い問題を改善し、従来の形状記憶複合体では応答速度の問題で応用できなかった分野への用途が広がり、かつ省スペースと低コスト化にもなる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の形状記憶複合体の一実施容態を示す図である。
【図２】本発明の形状記憶複合体を用いたロボットハンドの機構を説明する図である。
【実施例】
【００２２】      以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
実施例１
直径０．３ｍｍのＴｉ−Ｎｉ２元合金のＳＭＡ線材に（Ａｆ点：７４℃、Ｒｆ点：４２℃）を直線形状に記憶させた。そのＳＭＡを伸長して直線状態にし、その上にポリウレタン系ＳＭＰ（Ｔｇ：５５℃）を、３Ｄプリンタを用いて短冊形状に造形（縦：６０ｍｍ、幅：１０ｍｍ、厚さ：０．２５ｍｍ）したＳＭＰに対し、渦巻き形状に形状記憶処理を施した。２枚のＳＭＰの間に、直線記憶させた直径０．３ｍｍのＳＭＡを挟み、１３０℃でホットプレスを行うことで被覆した。複合体の高さは、室温で１．１ｍｍであった。この複合体を加熱したところ、複合体の高さが４０℃で０．８ｍｍ、５０℃で、０．７５ｍｍ、６０℃で０．５ｍｍ、７０℃で０．７５ｍｍ、８０℃でほぼ直線形状（０ｍｍ）、すなわちＳＭＡの記憶した形状になった。１０回繰り返したが、変形量の低下は見られなかった。
【産業上の利用可能性】
【００２３】      湾曲形状の形状記憶複合体１対を用いて、図２のようにロボットハンドを作成する。このロボットハンドは、加熱に従い一旦開き、さらに加熱を行うことでロボットハンドは閉じる。さらに加熱を続けると、ロボットハンドが開く。この動作を行うことで、形状記憶複合体を加熱し続けるだけで、ロボットハンドで物を掴み、掴んだまま移動させ、物を離す動作を行うことでき、ロボットハンドにより物を運ぶことができる。
【符号の説明】
【００２４】１          ＳＭＡ
２          ＳＭＰ
３          ロボットハンド固定具
【図１】
2019089306.tif 000003
【図２】
2019089306.tif 000004