(57)【要約】【課題】複数本の単セルを互いに近接して断面略円状に配置してユニット被覆部材で覆った状態で各単セルが伸縮した場合であっても、ユニット被覆部材内の各単セルを均一に冷却することができる人工筋肉アクチュエータを提供する。【解決手段】人工筋肉アクチュエータは、端部に電線とワイヤとが接続された形状記憶合金バネ２２と、形状記憶合金バネ２２の外周を覆う耐熱性を有する単セル被覆部材２６とによりなる単セル２０と、互いに近接して断面略円状に配置された複数本の単セル２０の最外周を覆うユニット被覆部材１０と、ユニット被覆部材１０の端部に被嵌されユニット被覆部材１０の内部に冷却流体を注入する配管用継手３０と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
端部に電線とワイヤとが接続された形状記憶合金バネと、前記形状記憶合金バネの外周を覆う耐熱性を有する単セル被覆部材とによりなる単セルと、
互いに近接して断面略円状に配置された複数本の前記単セルの最外周を覆うユニット被覆部材と、
前記ユニット被覆部材の端部に被嵌され前記ユニット被覆部材の内部に冷却流体を注入する配管用継手と、を備え、
前記ユニット被覆部材は、前記形状記憶合金バネの伸縮に伴う前記単セルの伸縮に伴って軸方向に伸縮すると共に、
前記ユニット被覆部材は、それぞれの前記単セル相互の隙間によってなる内側流路に前記冷却流体が所定量流れ得るように、前記ユニット被覆部材と前記単セルとの隙間によってなる外側流路の前記冷却流体の流路体積を抑制可能な内径である、
ことを特徴とする人工筋肉アクチュエータ。
【請求項２】
前記ユニット被覆部材は、前記冷却流体によるベルヌイの定理の作用により、前記内側流路に前記冷却流体が所定量流れ得るように、前記外側流路の前記冷却流体の流路体積を抑制可能な内径に変形する、
ことを特徴とする請求項１に記載の人工筋肉アクチュエータ。
【請求項３】
前記ユニット被覆部材は、前記ユニット被覆部材の内周面と前記単セルの外周面とが近接する内径である、
ことを特徴とする請求項１に記載の人工筋肉アクチュエータ。
【請求項４】
前記ユニット被覆部材は、前記ユニット被覆部材の内周面の前記単セルの外周面に対する摩擦抵抗が小さい、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の人工筋肉アクチュエータ。
【請求項５】
前記ユニット被覆部材は、内周面に撥水性を有する、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の人工筋肉アクチュエータ。
【請求項６】
前記ユニット被覆部材は、フッ化炭素樹脂製である、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の人工筋肉アクチュエータ。
【請求項７】
前記ユニット被覆部材は、多孔質領域を含む、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の人工筋肉アクチュエータ。
【請求項８】
前記配管用継手は、それぞれの前記単セルの端部外周を個別に保持すると共に、それぞれの前記単セルの内部に前記冷却流体を注入するために外部と連通する凹状連通溝を備える、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の人工筋肉アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工筋肉アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
人工筋肉アクチュエータとして、例えば非特許文献１に開示されたものがある（非特許文献１と非特許文献２とは、同一内容）。
非特許文献１に開示された人工筋肉アクチュエータは、端部に電線とアラミド糸とが接続された形状記憶合金バネと、ポリイミドフィルムを略短冊状にカットして形状記憶合金バネに円筒状に巻き付けた単セル被覆部材である巻フィルムチューブと、により人工筋肉の最小単位となる単セルを構成している。
そして、人工筋肉アクチュエータは、複数本の単セルをユニット被覆部材である天然ゴムチューブに挿入してコンポーネント化し、天然ゴムチューブ内に冷却液を流すことで、単セルの冷却を図っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】石川敏也、中村太郎、「巻フィルムチューブ式SMA人工筋肉アクチュエータのモバイル化と拮抗配置による剛性制御手法の検討」、計測自動制御学会論文集、公益社団法人計測自動制御学会、2016年3月、Vol.52、No.3、p.103-112
【非特許文献２】石川敏也(Toshiya Ishikawa)、中村太郎(Taro Nakamura )、巻フィルムチューブ式SMA人工筋肉アクチュエータのモバイル化と拮抗配置による剛性制御手法の検討(Portability and Antagonistic Stiffness Control for an Shape Memory Alloy Artificial Muscle Actuator Protected by a Rolled Film Tube)、2016年のIEEEの国際会議  高度知的メカトロニクス(AIM)予稿集(Advanced Intelligent Mechatronics(AIM), 2016 IEEE International Conference on)、カナダ、IEEE、2016年7月、978-1-5090-2064-5/16、p.220-227
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１の人工筋肉アクチュエータでは、複数本の単セルを互いに近接して断面略円状に配置してユニット被覆部材である天然ゴムチューブで覆った状態で各単セルが収縮した場合、天然ゴムチューブも長さ的には短くなるものの、一番外側に位置する単セルと天然ゴムチューブとの隙間が大きくなり、冷却液がその大きくなった隙間に専ら流れ、中央部分に位置する単セルに冷却液が十分に行き渡りにくく、各単セルを均一に冷却することが困難である。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数本の単セルを互いに近接して断面略円状に配置してユニット被覆部材で覆った状態で各単セルが伸縮した場合であっても、ユニット被覆部材内の各単セルを均一に冷却することができる人工筋肉アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の人工筋肉アクチュエータは、
端部に電線とワイヤとが接続された形状記憶合金バネと、前記形状記憶合金バネの外周を覆う耐熱性を有する単セル被覆部材とによりなる単セルと、
互いに近接して断面略円状に配置された複数本の前記単セルの最外周を覆うユニット被覆部材と、
前記ユニット被覆部材の端部に被嵌され前記ユニット被覆部材の内部に冷却流体を注入する配管用継手と、を備え、
前記ユニット被覆部材は、前記形状記憶合金バネの伸縮に伴う前記単セルの伸縮に伴って軸方向に伸縮すると共に、
前記ユニット被覆部材は、それぞれの前記単セル相互の隙間によってなる内側流路に前記冷却流体が所定量流れ得るように、前記ユニット被覆部材と前記単セルとの隙間によってなる外側流路の前記冷却流体の流路体積を抑制可能な内径である、
ことを特徴とする。
【０００７】
また、前記ユニット被覆部材は、前記冷却流体によるベルヌイの定理の作用により、前記内側流路に前記冷却流体が所定量流れ得るように、前記外側流路の前記冷却流体の流路体積を抑制可能な内径に変形する、
ようにしても良い。
【０００８】
前記ユニット被覆部材は、前記ユニット被覆部材の内周面と前記単セルの外周面とが近接する内径である、
ようにしても良い。
【０００９】
前記ユニット被覆部材は、前記ユニット被覆部材の内周面の前記単セルの外周面に対する摩擦抵抗が小さい、
ようにしても良い。
【００１０】
前記ユニット被覆部材は、内周面に撥水性を有する、
ようにしても良い。
【００１１】
前記ユニット被覆部材は、フッ化炭素樹脂製である、
ようにしても良い。
【００１２】
前記ユニット被覆部材は、多孔質領域を含む、
ようにしても良い。
【００１３】
前記配管用継手は、それぞれの前記単セルの端部外周を個別に保持すると共に、それぞれの前記単セルの内部に前記冷却流体を注入するために外部と連通する凹状連通溝を備える、
ようにしても良い。
【発明の効果】
【００１４】
複数本の単セルを互いに近接して断面略円状に配置してユニット被覆部材で覆った状態で各単セルが伸縮した場合であっても、ユニット被覆部材内の各単セルを均一に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の人工筋肉アクチュエータの一実施の形態にかかる外観図である。
【図２】本発明の人工筋肉アクチュエータの一実施の形態にかかる縦断面図である。
【図３】本発明の人工筋肉アクチュエータの一実施の形態にかかる拡大縦断面図である。
【図４】本発明の人工筋肉アクチュエータの一実施の形態にかかる図３のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図５】本発明の人工筋肉アクチュエータの一実施の形態にかかる動作を示す図３のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】本発明の人工筋肉アクチュエータの一実施の形態にかかる配管用継手の（ａ）右側面図、（ｂ）縦断面図、（ｃ）左側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の人工筋肉アクチュエータの一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
人工筋肉アクチュエータ１は、図１〜図５に示すように、複数本の単セル２０と、互いに近接して断面略円状に配置された複数本の単セル２０の最外周を覆うユニット被覆部材１０と、ユニット被覆部材１０の端部に被嵌されユニット被覆部材１０の内部に冷却流体を注入する配管用継手３０とで構成される。
【００１７】
単セル２０は、形状記憶合金バネ２２と、形状記憶合金バネ２２の外周を覆う耐熱性を有する単セル被覆部材２６とにより構成されている。形状記憶合金バネ２２は、端部に電線とワイヤとが接続された構成が一般であるが、図２，３に示すように、本実施の形態の単セル２０では、形状記憶合金バネ２２の両端に電線とワイヤとの機能を併せ持った強化電線２４が接続され、強化電線２４が単セル被覆部材２６の外側に伸びている。
【００１８】
単セル２０の形状記憶合金バネ２２の外周を覆う耐熱性を有する単セル被覆部材２６は、耐熱性を有すると共に形状記憶合金バネ２２の伸縮に追従して、軸方向に伸縮する略円筒形状のものである。単セル被覆部材２６は、形状記憶合金バネ２２を発熱させることから耐熱性を有する必要があり、また形状記憶合金バネ２２の発生力を損なわない弾性コンプライアンスが大きく柔軟性に優れた材質及び形状がより好ましい。単セル被覆部材２６としてのこのような要件を満たせば、材質や形状によって制約されるものではなく、例えば、ポリイミドフィルムを短冊状にした上で円筒状に巻き上げた巻フィルムチューブ等が使用可能である。
【００１９】
ユニット被覆部材１０は、互いに近接して断面略円状に配置された複数本の単セル２０の最外周を覆うものであり、複数本の単セル２０をユニット化するものである。図４，５に示すように、人工筋肉アクチュエータ１では、７本の単セル２０を１本のユニット被覆部材１０に収容して単セル２０の最外周を覆うようにしているが、単セル２０の本数によって制限されるものではなく、単セル２０の本数は任意である。
【００２０】
ユニット被覆部材１０は、形状記憶合金バネ２２の伸縮に伴う単セル２０の伸縮に伴って軸方向に伸縮するものである。また、ユニット被覆部材１０は、詳細は後述するが、それぞれの単セル２０相互の隙間によってなる内側流路２００に冷却流体が所定量流れ得るように、ユニット被覆部材１０と単セル２０との隙間によってなる外側流路１００の冷却流体の流路体積を抑制可能な内径である。
【００２１】
ユニット被覆部材１０の材質及び形状は、互いに近接して断面略円状に配置された複数本の単セル２０の最外周を覆って複数本の単セル２０をユニット化が可能で、且つ、軸方向に伸縮可能なものであればよく、本実施の形態の各図で示すような弾性部材からなる単純な円筒状や多角形状の他、円筒部材を軸方向に複数嵌め合わせた伸縮式の棒状アンテナ構造のようなものでもよい。但し、ユニット被覆部材１０は、内部に冷却流体を流すため、所定のシーリング性を有する必要がある。本実施の形態の人工筋肉アクチュエータ１のユニット被覆部材１０では、ポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene,PTFE）を円筒状に成形したものを使用している。
【００２２】
配管用継手３０は、ユニット被覆部材１０の端部に被嵌されユニット被覆部材１０の内部に冷却流体を注入するためのものである。配管用継手３０は、図６に詳細を示すように、略円筒状の単セル配列ソケット４０と、キャップ状のエンドブーツ５０とで構成されている。単セル配列ソケット４０の一端の外周に設けられたエンドブーツ取付溝４０ｂに、エンドブーツ５０の開放端５０ａの内周に設けられた単セル配管ソケット取付溝５０ｃが被嵌され、単セル配列ソケット４０の一端にエンドブーツ５０を被せるように連結される。単セル配列ソケット４０の他端の外周には、ユニット被覆部材取付溝４０ａが設けられている。また、単セル配列ソケット４０の他端には、それぞれの単セル２０の端部外周を個別に保持すると共に、それぞれの単セル２０の内部に冷却流体を注入するために外部と連通する凹状連通溝である単セル挿嵌穴部４２が設けられている。本実施の形態の単セル配列ソケット４０では、凹状連通溝である単セル挿嵌穴部４２が、図６（ｃ）に示すように、単セル２０が均等に配置されるように、軸中心に対して放射状に配置されている。
【００２３】
エンドブーツ５０の閉鎖端５０ｂには、図６（ａ）に示すように、配管用チューブ取付穴５２、ワイヤ取出穴５４及びリード線取出穴５６が穿設され、それぞれが、開放端５０ａに連通している。配管用チューブ取付穴５２には、円筒状の配管用チューブ５８が、挿嵌されている。このような配管用継手３０によれば、単セル２０の１本１本に冷却流体を行き渡らせることで、各単セル２０を均一に冷却することができる。
【００２４】
人工筋肉アクチュエータ１の全体の構造としては、まず、ユニット被覆部材１０に互いに近接して断面略円状に配置された状態で複数本の単セル２０が収納され、ユニット被覆部材１０の両端から強化電線２４が出た状態で、ユニット被覆部材１０の両端に、配管用継手３０のユニット被覆部材取付溝４０ａがユニット被覆部材１０に嵌まり込む形で、配管用継手３０が挿嵌されている。各単セル２０の端部すなわちユニット被覆部材１０の端部は、配管用継手３０の単セル配列ソケット４０の単セル挿嵌穴部４２に、単セル２０の配列を維持した状態で、それぞれ挿嵌され固定されている。
【００２５】
複数本（単セル２０の本数分）の強化電線２４は、エンドブーツ５０の内側で結節され、この結節点から電線であるリード線２４ａ及びワイヤ２４ｂが伸びている。リード線２４ａは、エンドブーツ５０のリード線取出穴５６を抜けて人工筋肉アクチュエータ１の外部に伸びている。ワイヤ２４ｂは、例えば、アラミド糸で、エンドブーツ５０のワイヤ取出穴５４を抜けて人工筋肉アクチュエータ１の外部に伸びている。尚、リード線２４ａが挿通しているリード線取出穴５６及びワイヤ２４ｂが挿通しているワイヤ取出穴５４は、モールドされている。尚、配管用継手３０の配管用チューブ５８には、冷却流体を供給するための冷却流体チューブ６０が、連結装着されている。
【００２６】
このような構造の人工筋肉アクチュエータ１は、非通電状態では図１（ａ）に示すように伸びた状態で、リード線２４ａ、強化電線２４を介して各単セル２０の形状記憶合金バネ２２に通電すると、形状記憶合金バネ２２が縮まり、図１（ｂ）に示すように人工筋肉アクチュエータ１全体が収縮する。より具体的には、人工筋肉アクチュエータ１は、形状記憶合金バネ２２が低温で与えられた負荷歪が高温で相変態により解消される時の発生力を利用するもので、形状記憶合金バネ２２への直接通電による加熱で相変態によって発現させて人工筋肉アクチュエータ１を駆動させるものである。このため、形状記憶合金バネ２２の温度制御を行う必要があり、通電による加熱の他、単セル２０を冷却流体で冷却する必要がある。
【００２７】
冷却流体は、形状記憶合金バネ２２の冷却が可能なものであれば、液体でも気体でもかまわない。冷却流体は、化学的に不活性で粘度が低いものが好ましく、液体では、例えば、粘度の低いシリコンオイル、エチレングリコール、水等が好ましく、気体では、例えば、空気、窒素ガス、不活性ガス等が使用可能である。
【００２８】
ここで、人工筋肉アクチュエータ１のように互いに近接して断面略円状に配置された複数本の単セル２０の最外周を、従来の天然ゴムチューブで単純に覆った場合、形状記憶合金バネ２２の伸縮に合わせて天然ゴムチューブも軸方向に伸縮可能であるものの、編年ゴムチューブが収縮するとその内周面と単セルとの隙間が拡がって、冷却流体が専らこの隙間に流れて単セル２０相互の隙間に流れず、それぞれの単セル２０を均一に冷却することができない。このため、本願発明のユニット被覆部材１０は、形状記憶合金バネ２２の伸縮に伴う単セル２０の伸縮に伴って軸方向に伸縮すると共に、内側流路２００に冷却流体が所定量流れ得るように、外側流路１００の冷却流体の流路体積を抑制可能な内径であることを特徴としており、このような内径にすることで、ユニット被覆部材１０内の各単セル２０を均一に冷却することができる。
【００２９】
また、図５に示すように、ユニット被覆部材１０の内周面１０ａと単セル２０の外周面２０ａとの隙間Ａが若干空いている状況がある場合であっても、ユニット被覆部材１０に冷却流体が流れることで、図４に示すように、ベルヌイの定理の作用により単セル２０の外周面にユニット被覆部材１０の内周面１０ａが密着するように変形して隙間Ａがなくなるような構成であってもよい。このように、ユニット被覆部材１０が、冷却流体によるベルヌイの定理の作用により、内側流路２００に冷却流体が所定量流れ得るように、外側流路１００の冷却流体の流路体積を抑制可能な内径に変形することで、ユニット被覆部材１０内の各単セル２０を均一に冷却することができる。
【００３０】
他方、ユニット被覆部材１０が、ユニット被覆部材１０の内周面１０ａと単セル２０の外周面２０ａとが近接する内径にする構成であってもよい。このように、ユニット被覆部材１０が、形状記憶合金バネ２２の伸縮に伴う単セル２０の伸縮に伴って軸方向に伸縮するものの、ユニット被覆部材１０の内周面１０ａと単セル２０の外周面２０ａとが近接する内径が維持されることで、すなわち、内側流路２００に冷却流体が所定量流れ得るように、外側流路１００の冷却流体の流路体積を抑制可能な内径が維持されることで、ユニット被覆部材１０内の各単セル２０を均一に冷却することができる。
【００３１】
ユニット被覆部材１０の内周面１０ａと単セル２０の外周面２０ａとが近接する内径の場合、ユニット被覆部材１０が単セル２０の動きを妨げかねないが、ユニット被覆部材１０の内周面１０ａの単セル２０の外周面２０ａに対する摩擦抵抗を小さくすることにより、ユニット被覆部材１０内での単セル２０のスムーズな動きを確保することができる。
【００３２】
さらに、ユニット被覆部材１０の内周面１０ａに撥水性を備えさせることで、ユニット被覆部材１０の内周面１０ａの単セル２０の外周面２０ａに対する摩擦抵抗を小さくすることにより、ユニット被覆部材１０内での単セル２０のスムーズな動きを確保することができると共に、内側流路２００の冷却流体の流れを妨げない範囲で、外側流路１００の冷却流体の流れを促すことができる。
【００３３】
ユニット被覆部材１０は、単セル２０の外周面２０ａや冷却流体に対する摩擦抵抗が低い方が望ましく、フッ化炭素樹脂製であることが好ましい。また、ユニット被覆部材１０は、伸縮に対する追従性の観点で、多孔質領域を含むことが好ましい。
【００３４】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【符号の説明】
【００３５】
１          人工筋肉アクチュエータ
１０        ユニット被覆部材
１０ａ      内周面
２０        単セル
２０ａ      外周面
２２        形状記憶合金バネ
２４        強化電線
２４ａ      リード線
２４ｂ      ワイヤ
２６        単セル被覆部材
３０        配管用継手
４０        単セル配列ソケット
４０ａ      ユニット被覆部材取付溝
４０ｂ      エンドブーツ取付溝
４２        単セル挿嵌穴部
５０        エンドブーツ
５０ａ      開放端
５０ｂ      閉鎖端
５０ｃ      単セル配列ソケット取付溝
５２        配管用チューブ取付穴
５４        ワイヤ取出穴
５６        リード線取出穴
５８        配管用チューブ
６０        冷却流体チューブ
１００      外側流路
２００      内側流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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