(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルム（１）に交互な切り込み（２）を連続的に入れ、略ジグザグ状にし、その切り込み（２）の停止部に丸穴（３）を設け、これを中心軸が切り込み（２）と直交する円筒状に巻いた巻フィルムチューブ（５）に、両端に電線（７）と糸（８）を取り付けた形状記憶合金ばね（９）を挿入し、両端に柔軟チューブ（１０）を取り付けた伸縮型のアクチュエータ（１１）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、通電と伸縮を伴う形状記憶合金ばねを短絡や絡み合いから保護し、流体を流して冷却や潤滑を行う、巻フィルムチューブを用いたアクチュエータに関するものである。
【０００２】
従来より、形状記憶合金ばねを用いるアクチュエータには、通電と伸縮を伴う形状記憶合金ばねを短絡や絡み合いから保護し、流体を流して冷却や潤滑を行うのに、ゴムなどの樹脂チューブや蛇腹チューブが用いられて来た。
【０００３】
これらには次のような問題があった。
（イ）ゴムなどの樹脂チューブは、折ったり曲げたりするには柔らかいが、伸ばしたり縮めたりするには固く、軸方向に伸縮する形状記憶合金ばねの動きを阻害するため、この中に挿入して用いるには向いていなかった。
（ロ）蛇腹チューブは、伸縮方向に柔らかいが、内径に対する外径を通常のチューブより大きくせざるをえず、複数本束ね合せると、かさ張るため空間利用率が悪かった。
本発明は、これらの欠点を解決して形状記憶合金ばねを用いるアクチュエータに提供するために発明されたものである。
【０００４】
フィルム（１）に交互な切り込み（２）を連続的に入れ、略ジグザグ状にし、その切り込み（２）の停止部に丸穴（３）を設ける。次に、これを中心軸が切り込み（２）と直交する円筒状に巻いた巻フィルムチューブ（５）に、両端に電線（７）と糸（８）を取り付けた形状記憶合金ばね（９）を挿入し、両端に柔軟チューブ（１０）を取り付ける。本発明は、以上の巻フィルムチューブ（５）を用いる伸縮型のアクチュエータ（１１）である。
【０００５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（イ）必要に応じて、図１のように機械強度や耐熱性や絶縁性などに優れる樹脂または金属の薄いフィルム（１）に交互な切り込み（２）を連続的に入れ、略ジグザグ状にする。
（ロ）その切り込み（２）の停止部に丸穴（３）を設け切り込み（２）が広がってフィルム（１）が切れないようにする。
（ハ）それを図２のように、細い棒（４）に巻き付け、中心軸が切り込み（２）と直交する円筒状に巻き、棒（４）を外した巻フィルムチューブ（５）に、両端に電線（７）と糸（８）を取り付けた形状記憶合金ばね（９）を挿入し、両端に柔軟チューブ（１０）を取り付ける。
（ニ）本発明中の巻フィルムチューブ（５）の作り方には、棒（４）を使って巻く方法以外に、二つのローラーに挟んで巻き癖をつけて巻いて行く方法もある。
（ホ）このとき必要に応じてローラーを加熱して熱処理しながら巻いてもよい。
（ヘ）図３に本発明中の巻フィルムチューブ（５）の斜視図を示す。この節（６）の幅を狭め数を増やすと、軸方向の柔軟性と共に折曲方向の柔軟性も増す。
（ト）こうして本発明のアクチュエータ（１１）は、流体を通すチューブとしての機能と、柔軟に伸縮するばねの機能を併せ持つ巻フィルムチューブ（５）に短絡や絡み合いから保護され、流体を流して冷却や潤滑を行う構造となる。本発明は、以上のような構造でこれを使用するときは、次のようにする。
【０００６】
〈第１実施の形態〉
図４のように両端に電線（７）と糸（８）を取付けた形状記憶合金ばね（９）を、図５のように本発明の巻フィルムチューブ（５）に挿入し、両端に柔軟チューブ（１０）を取り付けて伸縮型のアクチュエータ（１１）とする。
形状記憶合金ばね（９）は、密着巻の状態を記憶しており、冷却状態で引き伸ばされたあと加熱されて変態温度以上になると、元に戻ろうとして軸方向に大きな収縮力を発生するように作られている。
このアクチュエータ（１１）は、電線（７）にて形状記憶合金ばね（９）を通電加熱で短縮させ、その力を糸（８）にて取り出し、柔軟チューブ（１０）にて冷却液（１２）を巻フィルムチューブ（５）の中へ送り込み冷却することで伸長できるようにしたものである。
巻フィルムチューブ（５）と形状記憶合金ばね（９）は糸（８）を介して両端でつながっており、形状記憶合金ばね（９）の伸縮に合わせて巻フィルムチューブ（５）は伸縮する。
図６に同じ外径の巻フィルムチューブ（５）とシリコーンゴムチューブの軸方向についての荷重と変位の関係図を示す。
この図から、巻フィルムチューブ（５）は同じ外径のシリコーンゴムチューブと比べて軸方向に極めて柔らかく、アクチュエータ（１１）に使用した場合、形状記憶合金ばね（９）の伸縮運動を妨げることがほとんど無いことがわかる。
また、これと同様の柔らかさを蛇腹チューブで実現するには、内径に対する外径を巻フィルムチューブ（５）よりも遥かに大きくする必要がある。
このアクチュエータ（１１）を駆動するとき、加熱と冷却が重ならないように交番に行うと、応答性が向上し電力の無駄遣いを少なくできる。
この応答性が最高になる冷却液（１２）の最適温度があり、それが形状記憶合金の変態温度によって決まることが実験によりわかっている。
また、冷却液（１２）の流れを止め、通電加熱でアクチュエータを収縮させ負荷を持ち上げ通電を止め、冷却液の流れを止めたままにしておくと、すぐには伸長せず、しばらくの間無通電で負荷を持ち上げた状態を維持する。
これは、巻フィルムチューブ（５）内に熱が蓄えられ、形状記憶合金の変態温度以上の温度が暫く維持されるためである。
すなわち、巻フィルムチューブ（５）には保温効果があると言える。この保温効果を上手く利用して無通電状態を多くすることで、省エネルギーを図れる。
【０００７】
〈第２実施の形態〉
このアクチュエータ（１１）は、巻フィルムチューブ（５）により形状記憶合金ばね（９）どうしの短絡や絡み合いが全く起こらないので、図７のように束ね合わせて用いることができる。
このとき、柔軟チューブ（１０）と糸（８）も、それぞれ必要に応じて束ね合わせ、場合によっては柔軟チューブ（１０）内に糸（８）を通してもよい。
ここで、電線（７）を使って形状記憶合金ばね（９）を電気的に直列に接続すると、電気抵抗値が大きくなり、通電加熱を行う際に電流値を小さく電圧値を大きくできるので、電源の電力制御が電圧制御にて可能となり、リード線も細くできる。
また、巻フィルムチューブ（５）は、同じ伸縮量の蛇腹チューブと比較して、内径に対する外径がはるかに細く、空間利用率が大きいので、同じ本数束ね合わせたとき有利である。
【０００８】
〈第３実施の形態〉
アクチュエータ（１１）を適宜な数束ね合わせたアクチュエータの束（１３）を、図８のように糸（８）を介して金属や繊維強化樹脂やセラミックスなどでできた関節（１４）と骨（１５）から成る骨格に取付けて、人体に近い内部構造をもつロボット又は義肢を作ることができる。
これは、各アクチュエータの束（１３）に冷却液（１２）を送る冷却液配送管（１６）と温度の高くなった冷却液（１２）を回収する冷却液回収管（１７）を人体における動脈と静脈のように設け配管し、それらの枝管（１８）の途中に冷却液（１２）を制御する開閉バルブ（１９）を設け、各アクチュエータの束（１３）に電力を供給する電線（７）を神経のように設け配線し、全体をシリコーンゴムなどの柔軟材料のカバー（２０）で皮膚のように覆った構造になっている。冷却液（１２）の温度はアクチュエータ（１１）から出る熱を拾って上昇して行くので、その熱をロボット又は義肢の外に捨てなければならない。
その方法として、義肢の場合は、電源と共にラジエータを設けたベルトやリックサックなどを装着者が腰部や肩部に装着できるようにすればよい。
ロボットの場合では、図９のように胸部に冷却塔（２１）と冷却液（１２）の循環ポンプ（２２）を、腹部に給水タンク（２３）と主電源（２４）を、そして骨格内に補助電源（２５）を設ける方法がある。このシステムの説明を以下に示す。
まず、ロボットの鼻部から入った空気（２６）は、エアフィルター（２７）を通過後、吸気道（２８）を経て胸部に設けられたファン（２９）によって冷却塔（２１）下部に送り込まれ、そこから熱交換器（３０）を摺り抜け、排気道（３１）を経て口部から排出される。
このファン（２９）には、吐き出し圧力が大きく騒音が低い、遠心ファンが適当である。
ところで水（３２）は給水タンク（２３）内に投入された給水ポンプ（３３）によって汲み上げられ、散水管（３４）を経てノズル（３５）から下向きに散水され、熱交換器（３０）の表面を濡らしているので、その表面を空気（２６）が摺り抜けると水（３２）が気化して熱を奪い熱交換器（３０）を冷却する。
蒸発せずに残った水（３２）はドレイン管（３６）を経て給水タンク（２３）に戻り、再び散水される。水（３２）は、排気道（３１）を通して補給できる。
熱交換器（３０）は、多数に分岐した細管をコイル状に巻いたものや、フィンなどを取付けて表面積を大きくした金属のパイプなどでできており、その中に冷却液回収管（１７）にてロボットの全身から回収した、温度の高くなった冷却液（１２）を流して冷却する役目を担う。
冷却され温度の低くなった冷却液（１２）は、循環ポンプ（２２）にて冷却液配送管（１６）を通じてロボットの全身に圧送される。
この冷却塔は、一般的には向流形押し込み通風密閉クーリングタワーに分類される。
循環ポンプ（２２）はモータの両端に遠心ポンプを設けた二重ポンプであり、冷却液（１２）の回収と圧送をそれぞれに分担することで、ロボットの体内に生じる大きな圧損に対抗できるようになっている。これは、人体の心臓の右心室と左心室に当たる。
ロボットの背中側の人体の腎臓に当たる場所には、冷却液（１２）中のごみや水分などを取り除くフィルターを設ける。
冷却塔（２１）と共に、ロボットの体表面を汗のように濡らすことで冷却する方法も併用する。
給水ポンプ（３３）からは散水管（３４）の他にもう一本、ロボットの体表面全体に水（３２）を送るための体表面給水管（３７）が出ていて、その先端はロボットの頭部や肩部や背部や腰部などの周辺に分散されている。
散水管（３４）と体表面給水管（３７）への水（３２）の配分は散水用バルブ（３８）と体表面給水用バルブ（３９）にて行う。
主電源（２４）には、リチウム電池などの二次電池やメタノール電池などの燃料電池などが適当である。図９では、これらを人体の腸のように配置したようすを表している。
また、骨格内の補助電源（２５）には、リチウム電池などの二次電池が適当である。
ここで主電源（２４）を燃料電池とする場合、大電流を流せるが充電に時間のかかる二次電池と、大電流は流せないが燃料の補給に時間がかからず、燃料を補給し続ける限り発電し続ける燃料電池を組み合わせたことになり、互いに補完し合うハイブリット電源となる。
以上に記述されたファン（２９）と循環ポンプ（２２）と給水ポンプ（３３）と散水用バルブ（３８）と体表面給水用バルブ（３９）のモータなどの電装部及び、主電源（２４）と補助電源（２５）の全ては完全防水構造となっている。
【０００９】
〈第４実施の形態〉
巻フィルムチューブ（５）は、図１０のようにフィルム（１）の巻始め側の両端部に凸部（４０）を設けることで、図１１のように両端に突起部（４１）を設けることができる。
この突起部（４１）を利用して巻フィルムチューブ（５）を図１２のように連結することができる。
この場合、ゴムなどの柔軟な樹脂でできたパイプ状の継手（４２）に、突起部（４１）を挿入して、接着剤などで固定して繋げる。この方法は、アクチュエータ（１１）を連結する場合に役立つ。
ところで巻フィルムチューブ（５）は、フィルム（１）を巻いただけの構造なので、その中を流れる流体を完全には密閉することはできない。
しかし、適宜な長さの巻フィルムチューブ（５）に適宜な粘度の流体を適宜な圧力と流量で流せば、全く漏れが生じないことを実験で確認している。
この巻フィルムチューブ（５）を通常の液漏れが生じないチューブのようにするには、巻いたフィルム（１）の隙間に粘度の高いグリースなどを注入すれば良い。
しかし、これはむしろ漏れが少しくらいあってもかまわないような用途に使うのが好ましい。
その例として、前述のアクチュエータ（１１）や、雨樋で受けた雨水を下に送る簡易型の排水管などがある。
この簡易型排水管に使う場合、突起部（４１）と継手（４２）を使って巻フィルムチューブ（５）を多数連結して必要な長さにすると良い。
また、雨水の量に合わせて巻フィルムチューブ（５）を太くするか、若しくは複数本束ねても良い。
【００１０】
〈第５実施の形態〉
本発明の巻フィルムチューブ（５）は、竹の子ばねを交互に向きを変えて連結したようなものであり、フィルム（１）を巻いただけの構造であるため、その巻終わり側の端部は解放状態になっている。
そのため、経時に伴って少しずつ巻が緩み、引っ張り過ぎると開き切って元に戻らなくなる問題がある。
これらを防止するには、フィルム（１）の巻終わり側の端部を接着剤などで固定すればよい。
ところで竹の子ばねは、占める空間容積の割りに大きなエネルギを吸収でき、フィルム間摩擦を振動の減衰に利用できる特長をもっている。
このため、本発明は、防振ばねとして利用することができる。
具体例として、壊れやすいものや内部の液体をこぼしやすい容器などを吊るした状態で運ぶ、車両用懸架ばねなどが挙げられる。
【００１１】
（イ）流体の移送や電線などの保護と絶縁に用いられて来たゴムなどの樹脂チューブは、折ったり曲げたりするには柔らかいが、伸ばしたり縮めたりするには固かった。そのため、図５のように内部に伸縮する形状記憶合金ばね（９）を挿入して用いる場合、その動きを妨げる問題があった。しかし、本発明のアクチュエータ（１１）の巻フィルムチューブ（５）は、図６のように軸方向の柔軟性が極めて大きく、形状記憶合金ばね（９）の動きを阻害しないので、その保護と絶縁の役割を果たすと同時に流体を送り込むことが可能であるため、図７のようにアクチュエータ（１１）を束ね合せて用いることができる。
（ロ）流体を移送したり電線などを保護するために用いられて来た蛇腹チューブは、伸縮方向には柔らかいが、その分、内径に対する外径を通常のチューブよりも大きくせざるをえなかった。これに対し、本発明のアクチュエータ（１１）の巻フィルムチューブ（５）は、同じ伸縮量の蛇腹チューブと比べて内径に対する外径が十分小さいので、図７のようにアクチュエータ（１１）を束ね合せて用いる場合、空間利用率が大きく有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明中の巻フィルムチューブの展開図
【図２】本発明中の巻フィルムチューブを棒に巻き付けた状態を示す斜視図
【図３】本発明中の巻フィルムチューブの斜視図
【図４】本発明に利用する形状記憶合金アクチュエータ用形状記憶合金ばねの正面図
【図５】本発明の形状記憶合金アクチュエータの正面図
【図６】本発明中の巻フィルムチューブとシリコーンゴムチューブの荷重と変位の関係図
【図７】本発明を束ね合せた状態の正面図
【図８】本発明を利用するロボットの腕の構造を示す断面図
【図９】本発明を利用するロボットの構造を示す断面図
【図１０】本発明中の巻フィルムチューブに凸部を設けた展開図
【図１１】本発明中の巻フィルムチューブに突起部を設けた斜視図
【図１２】本発明中の巻フィルムチューブの連結状態の分解斜視図
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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