(57)【要約】  コアファイバの長さに沿って整列された高分子を有するコアファイバと、コアファイバの周りに巻かれ固定されたワイヤと、を含むアクチュエータ、及びアクチュエータの製造方法。ワイヤの巻き付けは、ねじり作動に基づいて設計される。コアファイバを加熱すると、ワイヤは、コアファイバの半径方向膨張を妨げ、半径方向膨張をねじり作動に変換する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアファイバと、ワイヤと、を備えるアクチュエータであって、
前記コアファイバは、前記コアファイバの長さに沿って整列された高分子を含み、前記コアファイバは、前記コアファイバの線形動作及びねじれ動作を防止する２つの構成要素の間に配置され、
前記ワイヤは、前記コアファイバの周りに巻かれて、前記コアファイバの半径方向膨張を妨げ、前記半径方向膨張をねじり作動に変換する、
前記アクチュエータ。
【請求項２】
前記コアファイバは、負の線形熱膨張係数を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記コアファイバの半径方向熱膨張係数は、前記高分子のバルク熱膨張係数よりも高い、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記ワイヤのヤング率及び曲げ弾性率は、前記ねじり作動に基づいて選択される、請求項１〜３のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記ワイヤは、接着剤により前記コアファイバに固定される、請求項１〜４のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記ワイヤは、前記コアファイバの周りに螺旋状に巻かれる、請求項１〜５のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記ねじり作動の際に前記ワイヤの縁部が接触しないように、前記ワイヤは特定のピッチで巻かれる、請求項１〜６のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記ワイヤは、前記ねじり作動に基づいて、不均一に巻かれる、請求項１〜６のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記コアファイバは、ナイロン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリプロピレン、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー、ケブラー、ベクトラン、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）糸のうちのいずれかである、請求項１〜８のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記ワイヤは、ナイロン、タングステン、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）糸、ＣＮＴシート、炭素繊維、ケブラー、銀メッキナイロン、金属シートもしくは金属リボン、ベクトラン、ダイニーマ、東洋紡ザイロン、インバー合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、または高度に整列された高分子ファイバのうちのいずれかである、請求項１〜９のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記コアファイバを引き伸ばすことなく、前記コアファイバ及び前記ワイヤの端部を保持する２つの構成要素をさらに備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記アクチュエータがねじり作動を実行し、自己梱包または自己解包容器を梱包または解包することを引き起こすスイッチをさらに備える、請求項１〜１１のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
アクチュエータの製造方法であって、前記方法は、
コアファイバの長さに沿って整列された高分子を有する前記コアファイバを、引き伸ばすことなく、２つの構成要素間に配置することと、
前記コアファイバの周りにワイヤを巻くことと、
前記コアファイバに前記ワイヤを固定することと、
を含み、
前記コアファイバを加熱すると、前記ワイヤは、前記コアファイバの半径方向膨張を妨げ、前記半径方向膨張をねじり作動に変換する、
前記方法。
【請求項１４】
前記コアファイバの半径方向熱膨張係数は、前記高分子のバルク熱膨張係数よりも高い、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ワイヤは、接着剤により前記コアファイバに固定される、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ねじり作動の際に前記ワイヤの縁部が接触しないように、前記ワイヤは特定のピッチで螺旋状に巻かれる、請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記ワイヤは、前記ねじり作動に基づいて、不均一に巻かれる、請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記コアファイバは、ナイロン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリプロピレン、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー、ケブラー、ベクトラン、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）糸のうちのいずれかである、請求項１３〜１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記ワイヤは、ナイロン、タングステン、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）糸、ＣＮＴシート、炭素繊維、ケブラー、銀メッキナイロン、金属シートもしくは金属リボン、ベクトラン、ダイニーマ、東洋紡ザイロン、インバー合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、または高度に整列された高分子ファイバのうちのいずれかである、請求項１３〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
コアファイバの半径方向膨張をねじり作動に変換する方法であって、前記方法は、
前記コアファイバの長さに沿って整列された高分子を有する前記コアファイバを、引き伸ばすことなく、２つの構成要素間に配置することと、
前記ねじり作動の際にワイヤの縁部が接触しないように、前記ワイヤを前記コアファイバの周りに螺旋状に特定のピッチで巻くことと、
前記コアファイバに前記ワイヤを接着剤で固定することと、
を含み、前記コアファイバを加熱すると、前記ワイヤは、前記コアファイバの半径方向膨張を妨げ、前記半径方向膨張を前記ねじり作動に変換する、
前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に準じて、２０１８年２月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／６３２，９８５号に対する優先権を主張する。その内容全体は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【背景技術】
【０００２】
弾性高分子ファイバに基づく人工筋肉デバイスには、幅広い用途がある。ねじられた及び／またはコイル状の高分子を含む人工筋肉デバイスは、従来のモーターよりも、製造コストが低く、生産量が高く、動作音が小さく、設計が単純であるという利点があり得る。
【発明の概要】
【０００３】
一態様では、本明細書で開示される実施形態は、コアファイバの長さに沿って整列された高分子を有するコアファイバを含むアクチュエータに関する。コアファイバの半径方向熱膨張係数は、高分子のバルク熱膨張係数よりも高くあり得る。アクチュエータは、コアファイバの周りに巻かれたワイヤを含む。ワイヤの巻き付けは、ねじり作動に基づいて設計される。１つ以上の実施形態によれば、コアファイバを加熱すると、ワイヤは、コアファイバの半径方向膨張を妨げ、半径方向膨張をねじり作動に変換する。
【０００４】
別の態様では、本明細書に開示される実施形態は、コアファイバの長さに沿って整列された高分子を有するコアファイバを、引き伸ばすことなく、２つの剛性構成要素間に配置することを含む、アクチュエータの製造方法に関する。コアファイバの半径方向熱膨張係数は、高分子のバルク熱膨張係数よりも高くあり得る。方法は、コアファイバの周りにワイヤを巻き付けることと、コアファイバにワイヤを固定することと、を含む。ワイヤの巻き付けは、ねじり作動に基づいて設計される。１つ以上の実施形態によれば、コアファイバを加熱すると、ワイヤは、コアファイバの半径方向膨張を妨げ、半径方向膨張をねじり作動に変換する。
【０００５】
１つ以上の実施形態の他の態様及び利点は、下記の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の１つ以上の実施形態による図解を示す。
【図２】Ａ〜Ｃは、本発明の１つ以上の実施形態による図解を示す。
【図３】本発明の１つ以上の実施形態によるフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明のより完全な理解を提供するために、本開示の実施形態の以下の詳細説明にて、多数の具体的な詳細が明記される。しかしながら、本開示はこれらの具体的な詳細がなくとも実施できることが、当業者には明らかであろう。別の例では、説明を不必要に複雑にすることを避けるために、周知の特徴は詳しく説明されていない。
【０００８】
人工筋肉アクチュエータは、従来、ねじられたファイバと、ねじられたファイバの周りに巻き付けられたワイヤとを使用して、作られる。ワイヤが巻き付けられたファイバは、次に、マンドレルの周りにねじり付けられ、焼きなまされ、その後、マンドレルが取り外される。高分子ファイバをねじることにより、負荷が生じ、強度が低下し、ファイバ内のいくつかの高分子鎖、または巻き付けたワイヤが切断され得る。ファイバ内の高分子鎖の整列及びねじれが、従来の人工筋肉の作動を決定する。さらに、従来の人工筋肉では、ワイヤは単に、高分子ファイバを加熱するにすぎない。しかしながら、ワイヤは、作動中に生成される作動力の方向付けまたは変換を行わない。
【０００９】
概して、本発明の実施形態は、１つ以上のねじられていない人工筋線維（以下、「ねじられていない人工筋肉」と称する）を含む装置、及びねじられていない人工筋肉の製造方法に関する。１つ以上の実施形態では、「ねじられていない人工筋線維」は、製造プロセスでねじられていない、またはコイル状にされていない人工筋肉を指す。１つ以上の実施形態では、ねじられていない人工筋肉は、焼きなまされなくてもよい。ねじり工程及び／または焼きなまし工程を省くことにより、製造コストが低減され得る。さらに、１つ以上の実施形態は、ねじり及び／または焼きなましがない結果、従来のねじられた筋肉よりも高い引張強度を有することができ、従って、本発明の実施形態は、より低軸方向荷重に好適であり得る。
【００１０】
概して、実施形態は、ねじられていないコアファイバ（以下、コアファイバと称する）と、コアファイバの周りに巻き付けられて（すなわち巻かれて）固定されたワイヤとを含む、ねじられていない人工筋線維を対象とする。コアファイバを加熱すると、ワイヤは、コアファイバの半径方向膨張を妨げ、半径方向膨張を、コアファイバ及びワイヤの所望のねじり作動に変換する。
【００１１】
１つ以上の実施形態では、接着剤を使用してワイヤがコアファイバに固定され得る。ワイヤは、他の手段を使用して固定されてもよく、例えばコーティングまたはスリーブが使用されてもよい。
【００１２】
１つ以上の実施形態によれば、コアファイバは、コアファイバの長さに沿って整列された高分子で構成される。コアファイバは、高い半径方向熱膨張係数、及び小さいまたは負の線形熱膨張係数を有する。１つ以上の実施形態では、コアファイバの半径方向熱膨張係数は、高分子のバルク熱膨張係数よりも高くあり得る。
【００１３】
１つ以上の実施形態では、ワイヤがコアファイバの周りに巻かれる。ワイヤは、高ヤング率及び低曲げ弾性率を有するものが選ばれる。例えば、ヤング率は、１００ギガパスカルを超え得る。ワイヤの材料によっては、製造コストはさらに低減され得る。
【００１４】
１つ以上の実施形態によれば、ワイヤは、コアファイバの周りに螺旋状に巻かれ得る。これらの実施形態によれば、ワイヤは、特定のピッチで巻き付けられ得る。作動時にワイヤの縁部が接触しないように、特定のピッチは、所望のねじり作動に基づいて選択され得る。１つ以上の実施形態では、ピッチは、コアファイバの直径未満である。
【００１５】
本発明の１つ以上の実施形態では、ワイヤの巻き付けは、デバイスの所望の作動に基づいて制御され得る。例えば、ワイヤは、高分子ファイバの長さに沿って異なるピッチで螺旋状に巻かれ得、その結果、ファイバの長さに沿って異なるねじり作動が生じる。１つ以上の実施形態によれば、所望の作動を容易にするために、巻き付けが制御され得る。
【００１６】
本発明の１つ以上の実施形態では、コアファイバは、印加電圧を使用して、抵抗加熱され得る。いくつかの実施形態では、抵抗加熱を提供するために、ワイヤに印加電圧が印加される。結果得られるコアファイバの温度は、印加電圧により制御され得る。コアファイバは、ファイバのガラス転移温度より高いが、ファイバの融解温度より低い温度に加熱される。
【００１７】
図１は、１つ以上の実施形態による、ねじられていない人工筋肉装置を例示する。ねじられていない人工筋肉１０は、コアファイバ１０１と、コアファイバ１０１の周りに螺旋状に巻き付けられたワイヤ１０２とを含む。ワイヤ１０２をコアファイバ１０１の周りの所定位置に固定するために、接着剤１０３がワイヤ１０２及び／またはコアファイバ１０１の上に置かれ得る。接着剤１０３は、ねじられていない人工筋肉１０の表面全体を覆い得る、またはねじられていない人工筋肉１０を部分的に覆い得る。
【００１８】
１つ以上の実施形態によれば、ワイヤ１０２は、ねじられていない人工筋肉１０の周りに巻き付けられるナイロンワイヤ１０５であり得る。
【００１９】
１つ以上の実施形態によれば、ワイヤ１０２は、ファイバを通して熱を伝達し、ねじられていない人工筋肉１０を作動させることができる導電性ワイヤ（例えば金属ワイヤ）であり得る。
【００２０】
１つ以上の実施形態によれば、コアファイバ１０１は、高い半径方向熱膨張係数を有する材料から、選ばれ得る。コアファイバ１０１の実施形態はまた、負の線形熱膨張係数（図１を参照すると「ｘ」軸に沿ったコアファイバの長さに沿った熱膨張係数）を有し得る。
【００２１】
１つ以上の実施形態では、例えば、コアファイバの材料には、ナイロン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリプロピレン、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー、ケブラー、ベクトラン、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）糸のうちのいずれかが含まれ得るが、これらに限定されない。当業者により認識される他の類似材料も、コアファイバ１０１に使用され得る。
【００２２】
１つ以上の実施形態によれば、コアファイバ１０１は、高分子を有し、その一部または全ては、コアファイバ１０１の長さに沿って整列された状態であり得る。いくつかの実施形態では、コアファイバ１０１の半径方向（すなわち図１を参照するとｘ軸に垂直）の熱膨張係数は、高分子のバルク熱膨張係数よりも大きい。１つ以上の実施形態では、コアファイバ１０１の半径方向熱膨張係数は、負の線形（すなわちコアファイバの長さに沿った）熱膨張係数を有する高分子により、さらに高められ得る。例えば、ナイロンの線形熱膨張係数は、−１８０Ｅ−６ｍ／ｍＫであり、ナイロンのバルク熱膨張係数は、８０Ｅ−６ｍ／ｍＫである。
【００２３】
１つ以上の実施形態によれば、ワイヤ１０２は、高ヤング率及び低曲げ弾性率を有する剛性材料から選ばれる。ワイヤ１０２には、ナイロン、タングステン、ＣＮＴ糸、ＣＮＴシート、炭素繊維、ケブラー、銀メッキナイロン、金属シートもしくは金属リボン、ベクトラン、ダイニーマ、東洋紡ザイロン、インバー合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、または高度に整列された高分子ファイバのうちのいずれかが含まれ得るが、これらに限定されない。例えば、タングステンワイヤのヤング率は、４００ＧＰａと高く、曲げ弾性率は、ワイヤ１０２をコアファイバ１０１の周りにうまく巻き付けることができるほど、十分に低い。タングステンのバルク熱膨張係数は、４Ｅ−６ｍ／ｍＫである。
【００２４】
コアファイバ１０１を加熱すると、コアファイバ１０１は半径方向に膨張する。しかし、螺旋状に巻かれたワイヤ１０２が、長さにおけるいかなる変化も妨げ、コアファイバ１０１の半径方向膨張を、ねじり作動に変換する。螺旋状に巻き付けられたワイヤ１０２は、アクチュエータが作動された時に、ワイヤ１０２の縁部が接触しないように、ピッチ１０４を有するように巻き付けられ得る。
【００２５】
図２Ａ〜２Ｃは、１つ以上の実施形態による、アクチュエータ装置２０の上面図及び側面図（それぞれ形態の左側及び右側）、並びにその作動プロセスを例示する。アクチュエータ装置２０は、ねじられていない人工筋肉１０を含み、ねじられていない人工筋肉１０の端部は、２つの構成要素２０３の間に固定される。構成要素２０３は、ねじられていない人工筋肉１０の端部がいかなる方向に動くことも防止できる十分な剛性を有し得る。構成要素２０３は、例えば、ねじられていない人工筋肉１０の端部を保持する２つの金属製スタンドであり得る。例示されるように、パドルなどの荷重２０１が、ねじられていない人工筋肉１０の上に配置される。ねじられていない人工筋肉１０の１つの端部を加熱することにより、ねじられていない人工筋肉１０の加熱端部２０４に近い側は、ねじられていない人工筋肉１０の非加熱端部２０５よりも多く回転し、よって、ねじられていない人工筋肉１０が作動して、荷重２０１を回転させる。
【００２６】
１つ以上の実施形態によれば、荷重２０１の回転方向は、ねじられていない人工筋肉１０のどの端部が加熱端部２０４であり、どの端部が非加熱端部２０５であるかに依存する。例えば、図２Ｂの加熱端部２０４は、図２Ｃの加熱端部２０４の反対側に存在する。その結果、図２Ｂの荷重２０１は、図２Ｃの荷重２０１とは反対の方向に回転する。
【００２７】
１つ以上の実施形態では、荷重２０１は、デバイス（例えばカメラ、光源、センサなど）を含み得る。
【００２８】
図３は、１つ以上の実施形態による、ねじられていない人工筋肉（例えば図１及び図２Ａ〜図２Ｃのねじられていない人工筋肉１０）を製造するためのフローチャートを示す。方法の実施形態は、以下のステップを含む。下記に開示されるこれらのステップは、省略されても、複数回実行されても、または異なる順序で実行されてもよい。
【００２９】
ステップ（ＳＴ）３０２にて、２つの構成要素の間に、コアファイバを引き伸ばすことなく、１つ以上の高分子ファイバを配置することで、コアファイバが用意される（例えば図２Ａ〜図２Ｃの構成要素２０３の間に配置されたコアファイバ１０と同様）。ＳＴ３０４にて、ワイヤがコアファイバの周りに巻き付けられる（例えば図１のワイヤ１０２と同様）。ＳＴ３０６にて、ワイヤを所定の位置に固定するように、ワイヤ及び／またはコアファイバ上に例えば接着剤などを塗布することで、ワイヤが固定される（例えば図１の接着剤１０３と同様）。ＳＴ３０８にて、コアファイバ１０を加熱すると、コアファイバは半径方向に膨張し、ワイヤはこの半径方向膨張を妨げ、よって、半径方向膨張をねじり作動に変換する。
【００３０】
１つ以上の実施形態によれば、従来のねじられたファイバよりねじられていない人工筋肉のほうが、より良いねじり作動能力をもたらし得る。１つ以上の実施形態では、ワイヤの太さは、コアファイバの直径を５で割った値より小さい。非限定的な例として、ナイロン６，６ファイバで作られた直径５００マイクロメートルのコアファイバを有するねじられていない人工筋肉は、ねじり荷重０．５６ｍＮ．ｍ及び軸方向荷重０．０９８Ｎの下、温度範囲１００℃〜１８０℃で、コアファイバのねじり変位２１．７２度／Ｋ．ｃｍを示した。しかし、同じ条件下で、約５０度のバイアス角を有するようにコイル状にされた同じ直径の従来のねじられたファイバは、ねじり変位２１．５度／Ｋ．ｃｍを示した。
【００３１】
１つ以上の実施形態によれば、ねじられていない人工筋肉は、自己梱包または自己解包容器内で使用され得る。このような自己梱包または自己解包容器のセキュリティを実施するために、ある種の鍵が設計され得、従って、鍵が使用されると、ねじられていない人工筋肉が加熱され、容器は梱包または解包する。１つ以上の実施形態では、ねじられていない人工筋肉装置は、用途に応じて、使い捨てであり得る。
【００３２】
１つ以上の実施形態では、ねじられていない人工筋肉は、電源スイッチ（例えば電子スイッチ）及び加熱手段に接続され得、これにより、電源スイッチは、加熱手段がねじられていない人工筋肉を加熱して作動させることを引き起こす。
【００３３】
１つ以上の実施形態では、加熱手段は、コアファイバの周りの（導電性）ワイヤに接続され得る電源（例えば電池）であり得、加熱手段は、コアファイバを抵抗加熱し得る。しかしながら、本発明の実施形態は、コアファイバの抵抗加熱に限定されず、他の手段（例えば熱の放射及び／または熱の直接適用）を使用して、作動を開始してもよい。
【００３４】
本発明は限られた数の実施形態に関して説明されたが、本開示の利益を享受する当業者は、本明細書に開示される発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を考案することができることを、理解するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2021514444.tif 000005
【国際調査報告】
2021514444.tif 000006
2021514444.tif 000007