大分工業高等専門学校紀要

第 46 号(平成 21 年 11 月)

金属系人工筋肉バイオメタルファイバーの温度特性に関する研究
竹本幸 平 1・ 田 中

雄 大 2・ 青 木照子2

1電 気 電 子 情 報 専 攻 ・ 2制 御 情 報 工 学

形 状 記 憶 合 金（ SMA）を 原 料 に し た バ イ オ メ タ ル フ ァ イ バ ー（ BMF）は ， 新 材 料 と して 注 目 さ れ て い る ． SMA に 比 べ て ， 形 状 的 に 安 定 し て お り ， 加 熱 や 通 電 で 筋 肉 の よ う に
収 縮 し，冷 却 す る と 元 の 長 さ に 戻 る 特 性 を 持 っ て い る．長 さ 方 向 に の み 収 縮 運 動 す る 繊 維状 の 人 工 筋 肉 型 ア ク チ ュ エ ー タ で あ る．本 研 究 で は ，細 く て，運 動 ひ ず み の 大 き い BMF を電気的に制御する障害者支援機器用アクチュエータの開発を目的としている．そのために ， BMFの 加 熱 や 通 電 に よ る 温 度 特 性 を 調 べ る ．恒 温 槽 内 で， BMFの 通 電， 非 通 電 加 熱 実
験 を 行 い ， BMFの 変 位 量 ， 抵 抗 ， 温 度 な ど を 測 定 し ， 電 流 値 と 抵 抗 ， 温 度 と 変 位 の 関 係 を
求 め た ． そ の 結 果 ， ア ク チ ュ エ ー タ と し て BMFの 能 力 を 最 大 限 に 取 り 出 す た め に は ， BMFに適正負荷をかけ，発熱量を考慮して通電加熱する必要があることが分かった．

キ ー ワ ー ド : バ イ オ メ タ ル (BMF)， 形 状 記 憶 合 金 (SMA)， ア ク チ ュ エ ー タ ，
人工筋肉

１．緒言

結果，BMF の温度特性から，通電加熱による SME を利用したアクチュエータ開発の可能性を検討した．

近年，知的材料として注目されている形状記憶合金(Shape Memory Alloy: SMA) を用いたアクチュエータに関する様々な研究1,2,3)が盛んに行われている．特に，ロボッ

２．バイオメタルBMF

ト開発における人工筋肉としての使用には目を見張るものがある．SMAは多結晶体であるため，最大限の変位を本研究で使用の BMF は，トキ・コーポレーション(株)引き出すためには，焼きなましをして結晶を大きくする必製である．線径が細く，50μ，75μ，100μ および 150μ

要がある．しかし，結晶の大きさや方向が一定でないため，ｍのものが市販されている．線径が細いので加熱後の冷組織的に不安定であり，繰り返し動作に問題がある．このSMAを改良し，高度な異方性を持つ，繰り返し動作に強却は非常に冷めやすく応答性がよい．φ0.5ｍｍのシャーい，優れた性能を発揮する新素材として，金属系人工筋肉バイオメタルファイバ（BioMetal Fiber: BMF）が開発4,)さBMF は，運動方向(引張り方向)に特化して組織化された構造を持つ．通電すれば収縮し，通電を停止すれば伸れた．BMF は，Ti-Ni系形状記憶合金を原料とした，筋肉張する．このように２方向性形状記憶効果により，低温のように自分で緊張収縮，弛緩伸張する繊維状のアクチュ時と高温時に引張り方向に特化して運動ひずみを取り出エータである．一般的なSMAは異なり，2方向性形状記憶すことができる．繰返し動作に対して寸法的に非常に安効果(Shape Memory Effect: SME)が大きいので，室温でも安定性がよく，100 万回の繰返し動作でも長さはほとんど定した動作をする．BMFは，室温でナイロン糸のように変化しない．同様に，繰返し動作による運動ひずみの減

しなやかであるが，電流を流すと強い力で収縮しピアノ線少もほとんどなく，破断までの動作寿命が長い．BMF はのようにぴんと張る．このBMFの特性5,6)を利用した小型

一般の SMA と比較して多くの優れた特性を有しているの様々な製品が試作・販売されている．

が，大きなものを動かす場合には適さない．

プペンシルの芯と比較したものを図-1 に示す．

本研究では，恒温槽を用いて，BMF の引張試験を通電，BMF はミリ･アクチュエータやマイクロ･アクチュエ非通電において行い，BMF の変位量，抵抗や温度を測定ータへの応用が有効である．BMF の単位面積当たりの発し，電流値と抵抗，温度と変位の関係などを調べた．その生力は大きいが，大きいものを動かす場合には，線径が―28―

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細いために寸法効果が小さく，性能的な利点がない．大きな力を出すことは，荷重を均等にし，応答性を確保して，BMF を複数本用いれば可能である．

a) 非通電引張り試験
非通電時の BMF の温度特性を調べる．BMF の温度と変位量および抵抗値を測定する．
BMF は，引張り試験機の金属シャフトに引っ掛けて吊るす．BMF に適正可動負荷 100MPa の応力がかかるよ３．実験方法うに錘を受け皿に載せた．BMF は通電せず，恒温槽の温度を上昇させることによって BMF を加熱し動作させた．

(1) 試験片BMF 周辺の雰囲気温度を BMF 温度として測定した．恒BMF は，トキコーポレーション㈱製の線径 150μｍ，温槽内温度は，室温から上昇させた．室温から 323K ま試験片部長さを 200mm とし，引張試験時のスリップ防では，BMF にほとんど変化が見られなかったので 10K止のため，両端を圧着端子で固定した(図-2)．

刻みで温度を上昇させた．323K から 373K までは 5K 刻みで上昇させた．恒温槽内の温度が一定になってから 5(2) 実験装置

分後に，抵抗値と変位量を測定し，次の温度に上昇させ

本実験は，実験温度を制御するためにヤマト科学㈱のた．温度上昇中に抵抗値や変位量に大きな変化が現れた

恒温槽，送風定温恒温器 DK63 内で行う．図-3 は，恒温場合は，その時点での温度と抵抗値および変位量を測定槽内の実験装置である．
引張り試験機に BMF を設置し，した．

BMF 下端圧着端子に負荷をかけるための錘をのせるた

一度測定したら恒温槽の扉を開け，時間を置いて試験めの受け皿 (図-4) を S 字フックで吊るした．
受け皿は，バランスを取るために，4 点に穴を開け，同じ長さの糸を通して，S 字フックに引っ掛けた．
BMF へ の 通 電 は ， 直 流 安 定 化 電 源 装 置 PW18（KENWOOD 製）を用い，恒温槽外からリード線(青線)を接続した．抵抗値を測定する際も同様の方法で BMFの両端にリード線を接続して測定した．抵抗値はリード線の抵抗値 0.8Ωを測定値から引いた値とした．恒温槽内の試験片周辺温度を測定するために，熱電対を試験片の周りに設置し測定した．
(3) 実験手順

図-3 恒温槽内の引張実験装置

図-1

図-2

BMF

BMF 試験片

図-4―29―

BMF 負荷装置

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片を冷まし，炉内温度が室温になったことを確認して再値を示した．50 MPa の場合は 3.29%，120 MPa の場合はび実験を開始した．

3.63%であった．これは，50MPa の場合，応力が小さいのでひずみも小さく，BMF の機能を十分引き出すには応b) 通電引張り試験力が不足しているものと考える．120MPa の場合は応力BMF の通電電流値と抵抗値の関係を調べる．非通電引が大きすぎて BMF の性能が損なわれたものと考える．

張り試験と同様に恒温槽内の引張り試験機に BMF を吊

As’，Af’，Ms’および Mf’は 50M Pa と 95 MPa はるし，BMF に負荷をかけ，図-5 に示すように定電流電源ほぼ同じ値を示しているが，120 MPa の場合は，95 MPa装置により BMF を通電加熱して BMF を動作させた．引の場合のおよそ 10K 大きい値を示した．
これは，120MPa

張り試験機の金属シャフトと受け皿の S 字フックのの場合，過重応力であることが考えられ，そのために，BMF との接触部分はポリイミド絶縁テープを巻いて絶温度に対する反応が遅くなったのではないかと推察する．

縁した．通電電流値は 0.2A，0.25A，0.3A とし，通電時

図-8 は，応力と最大変位量の関係を示している．50MPa間を計測しながら通電し，デジタル電圧計の値を動画で～120MPa の場合，最大変位量は 3.3%～4.5%であった．

撮影し，測定した．電圧値は試験終了後動画から読み取った．通電電流値と電圧値から経過時間ごとの抵抗値を算出した．実験は槽内の温度を室温一定にして行った．
c) 無負荷通電加熱試験
無負荷状態の BMF の通電電流値と抵抗値の関係を調べる．恒温槽内に BMF を設置し，無負荷状態で，定電流電源装置を用いて通電加熱し抵抗値を測定する．通電
電流値 0.2A，0.25A，0.3A を通電した．恒温槽に絶縁した板を敷き，その上に BMF を設置した．槽内温度は室温一定とした．
図-5(1) 非通電引張り試験
恒温槽の温度を変化させ，BMF の温度とその温度における変位量と抵抗値を測定し，BMF の変位量の温度特性と抵抗の温度特性を求めた．BMF そのものの温度を測ることが困難なため，熱電対で測定した BMF 周辺の雰囲気温度を BMF 温度とした．また，適正負荷を確認するために，50 MPa, 65 MPa, 80 MPa, 95 MPa,および 120 MPa

Displacement [ % ]４．実験結果と考察

BMF の通電装置

5σ=95MPa
φ＝150μm

43210273

293313333353373
Temperature [ K ]の 5 段階の応力を負荷して実験を行った．
図-6 変位量の温度特性(σ＝95MPa)a) 変位量の温度特性
図-6 は 95 MPa の場合の変位量の温度特性である．図
( As’)し，352K 付近で収縮を終了( Af’)している．さらに，冷却時は，弛緩伸張は 346K 付近で始まり( Ms’)，弛
緩伸張の終了( Mf’) は 335K 付近である．図からも確認できるように，加熱後の冷却において，ヒステリシス現象が表れているが収縮と弛緩伸張のいずれにおいても，5Displacement [ % ]から分かるように，加熱時は，341K 付近で収縮を開始

432

10K 以内で大きな変化が起きていることが分かる．その1変化を示す最大収縮量は 4.77％であった．

0273

図-7 は，50 MPa, 95 MPa, 120 MPa の場合の変位量の温σ=120MPaσ=95MPaσ=50MPa

293

313333度特性を示す．図から分かるように，3 つの場合を比較

353

Temperature [ K ]すると，最大変位量は 95 MPa の場合 4.77%で一番大きい
図-7 変位量の温度特性(負荷応力による比較)―30―373

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95MPa の場合に変位量が最大となった．50MPa から
95MPa までは，応力が大きくなると変位量は大きくなった．しかし，120MPa の場合は，変位量が 95MPa の場合より小さい値を示した．このことから，φ150μm の BMFの最適負荷応力は 95 MPa 程度であると考えられる.

Displacement [ % ]大分工業高等専門学校紀要

54.543.53b) 抵抗の温度特性50

図-9 は，95MPa における抵抗の温度特性である．抵抗7090110Stress [ MPa ]値は単位長さ(1mm)あたりの値で示した．
抵抗値は温度を上昇させると，341K( As’)付近で減少

図-8 負荷応力と最大変位量し始め，352K( Af’)で最も小さい値を示した．次に，温め，335K( Mf’)付近で元の抵抗値に戻った．抵抗の温度特性は，変位量の温度特性と逆の傾向を示すことがわかった．
BMF の変位量が小さいところでは抵抗値が大きくなり，変位量が大きくなると，抵抗値が小さくなる．これは，BMF が弛緩伸張すると，BMF の断面積が小さくなるので，単位面積あたりの抵抗値が大きくなり，逆に，Resistance [ Ω/mm ]度を下降させると，346K( Ms’)付近で抵抗値が上昇し始BMF が収縮すると，BMF の断面積が大きくなるので，

0.07
0.06
0.05
0.04273293313333353373

Temperature [ K ]単位面積あたりの抵抗値が小さくなるためと考えられる．
図-10 に，負荷応力( 50 MPa，95MPa，120 MPa )が変化

図-9 抵抗の温度特性 ( σ=95MPa )した場合の抵抗の温度特性示す．図からどの応力においヒステリシスが大きいことが分かる．図-11 に，95MPaの場合の変位量と抵抗値の関係を示す．この図から，BMF の変位量と抵抗値は，直線的減少関数を示すことが分かった．
(2) 通電引張り試験
恒温槽内で引張試験を行った．BMF に適正負荷応力

Resistance [ Ω/mm ]ても同様の傾向が確認できた．ただし，120MPa の場合

95 MPa を負荷し，定電流電源装置を用いて通電加熱した．

0.070.060.050.04273

σ=120MPa
σ=95MPa
σ=50MPa

293313

通電時間と抵抗値を測定し，通電加熱による応答性を調

333353373

Temperature [ K ]べた．

図-10 抵抗の温度特性

図-12 に，通電電流値ごとの通電加熱時間と抵抗値の関(負荷応力による比較)係を示す． 図からわかるように，0.2A の定電流値で通電加熱開始後，徐々に抵抗値が減少し，9.2 秒経過後，抵通電を開始してから約 9 秒で BMF の変形が終了することが分かる．通電電流値が 0.25A と 0.3A の場合，応答速度は極めて速く，1.3～1.4 秒で抵抗値は 0.046～0.047Ω で安定し，抵抗値が一定になるまでの時間に大きな差は無かった．0.2A の場合より 0.25A および 0.3A の場合のほうが，応答性がよく，しかも大きな変位量を得ることができることが分かった．0.1A の場合，BMF は全く動作しなかった．これは，通電による熱量が小さすぎて，BMF

Displacement [ % ]抗値は 0.053Ω 付近でほぼ一定となった．このことから，

64
加熱

2
冷却

00.04

0.05

0.06

0.07

Resistance [ Ω/mm ]が収縮する温度約 341K に達しなかったためと考えられる．
BMF を通電してアクチュエータとして使用するには，―31―

図-11 抵抗値と変位量の関係(σ=95MPa)

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通電電流値は 0.2A よりも 0.25A あるいは 0.3A のほうが，ときの抵抗値は，若干のずれはあるがほぼ同じ値を示し変位量が大きく応答性もよいので適している．0.25A とている．これより，負荷 95MPa をかけた状態では，そ0.3A では抵抗値に大きな違いがないので，加熱を防ぐたの BMF の限界まで収縮できていることが分かる．
また，めは 0.25A の方が適していると考えられる．

図の傾向から，負荷をかけた方が，動作の応答性も良いことが分かった．

無負荷状態の BMF を，0.2A，0.25A，0.3A の定電流値で通電加熱した場合の通電時間と抵抗値を測定する．無負荷の状態で加熱し最も収縮したとき，その BMF の最大可動範囲が分かる．これによって，負荷をかけた BMFを加熱によって最大可動範囲まで動作させているかどうかが分かる．
図-13 に，無負荷時の通電時間と抵抗値の関係を示す．

Resistance [ Ω/mm ](3) 無負荷通電加熱実験

0.2A の場合，0.25A および 0.3A に比較して，抵抗値の変0.07

無負荷σ=95MPa

通電電流値＝0.2A

0.06
0.05
0.04

化が小さい．0.25A と 0.3A では，抵抗値の変化が大きく,05

その値に大きな違いは見られない．この傾向は通電引張試験の結果(図-12)とほぼ同じである．負荷がかかってい101520
Apply current time [ s ]図-14 0.2A の場合の通電時間と抵抗の関係ないので，通電前の抵抗が小さいことがわかる.

(無負荷時とσ=95MPa の比較)

図-14～16 に，適正負荷応力 95MPa を負荷した場合ののを示す．通電電流値に関わらず，無負荷状態の方が通電開始時の抵抗が小さく，抵抗値の変化は緩やかになっ

Resistance [ Ω/mm ]ている．しかし図から分かるように，加熱して安定した

0.07

0.2A
0.25A
0.3A

0.06

Resistance [ Ω/mm ]通電時間と抵抗値の関係を通電電流値ごとに比較したも0.07
通電電流値＝0.25A

0.06

無負荷
σ=95MPa

0.05
0.04

0.05

05101520
Apply current time [ s ]0.0405101520

Apply current time [ s ]図-15 0.25A の場合の通電時間と抵抗の関係(無負荷時とσ=95MPa の比較)

図-12 通電時間と抵抗値の関係

0.07

0.2A
0.25A
0.3A

0.06

0.05

Displacement [ Ω/mm ]Resistance [ Ω/mm ]( σ=95MPa )

0.07
0.06
0.05
0.04
00.04
05101520
Apply current time [ s ]無負荷
σ=95MPa

通電電流値＝0.3A

5101520

Apply current time [ s ]図-16 0.3A の場合の通電時間と抵抗の関係

図-13 無負荷時の通電時間と抵抗値の関係―32―(無負荷時とσ=95MPa の比較)

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５．結言参考文献
1) 岡田直樹

金属系人工筋肉バイオメタルファイバ BMF の温度特性を調べた．その結果得られた主な結果を次に示す．

中尾友宣：『形状記憶材料（ＳＭＰ，ＳＭＡ＆ＳＭＣ）の形状回復力，大分工業高等専門学校制
御情報工学科平成 19 年度卒業研究(1) BMF は加熱時に約 341K(As’)で収縮を開始し，約2) 宮崎敦夫，峯村章，湯浅憲豊，中里裕一：小型リハビ

352K(Af’)で収縮を終了する．冷却時は弛緩伸張がリテーション機器のマイクロ SMA アクチュエータの346K(Ms’)で始まり，335K(Mf’)で終了する．

開発，日本機械学会福祉工学シンポジウム講演論文集(2) BMF を通電加熱し収縮した後，通電を停止して冷却していくと，変位量においても抵抗値においても温2006，pp218-219(2006)3) 宮崎修一，友澤方成，ブエンコンセホ

ピオ，金熙榮：

度特性にヒステリシス現象が現れ，変位量と抵抗値形状記憶合金薄膜を用いたマイクロアクチュエータはほぼ逆の関係にあることが分かった．と関連技術，日本機械学会 2007 年度年次大会講演論(3) 適正負荷(95MPa)をかけて，加熱・冷却した場合，収縮・弛緩伸張の応答性は，ほぼ無負荷時と同じ特性を示し，非常に応答性がよいことが分かった．
(4) アクチュエータとして BMF の能力を最大限に取り

文集(1)，pp181-182(2007)
4) トキコーポレーション(株)，http://www.toki.co.jp/Index.html
5) 本間大：「機能異方性形状記憶合金の開発と応用」に出すためには，BMF に適正負荷をかけ，発熱量を考まつわる話，精密工学会誌 Vol.75,No.6,pp699-701(2009)

慮して通電加熱する必要があることが分かった．

6) 前田剛，渡邊健司：作りたい 動かしたい 身近に楽しむロボットの製作(7)新しい機能材料“バイオメタル”とロボット，新電気,(11)，(755)，pp104－108(2004)―33―