JP2019094789A - Artificial muscle actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、人工筋肉アクチュエータに関する。 The present invention relates to artificial muscle actuators.
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。
As an artificial muscle actuator, there are some which were indicated by
In the artificial muscle actuator disclosed in Non-Patent
And an artificial muscle actuator inserts a plurality of single cells into a natural rubber tube which is a unit covering member and is made into a component, and cooling of a single cell is aimed at by pouring cooling fluid in a natural rubber tube.
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。
In the artificial muscle actuator of
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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and in the case where a plurality of unit cells are arranged close to each other in a substantially circular cross section and covered with a unit covering member, each unit cell expands and contracts. It is an object of the present invention to provide an artificial muscle actuator capable of uniformly cooling each single cell in a unit covering member even if any.
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。
In order to achieve the above object, the artificial muscle actuator of the present invention is
A single cell comprising a shape memory alloy spring in which an electric wire and a wire are connected at an end portion, and a heat resistant single cell covering member covering an outer periphery of the shape memory alloy spring;
A unit covering member that covers the outermost periphery of the plurality of single cells disposed in a substantially circular shape in cross section in close proximity to each other;
And a pipe fitting which is fitted to the end of the unit covering member and injects a cooling fluid into the unit covering member.
The unit covering member expands and contracts in an axial direction along with the expansion and contraction of the unit cell accompanying the expansion and contraction of the shape memory alloy spring.
The unit covering member is configured to allow the cooling fluid to flow in a predetermined amount in the inner flow passage formed by the gap between the unit cells, and the cooling of the outer flow passage formed by the gap between the unit covering member and the unit cell. The inner diameter capable of suppressing the flow path volume of the fluid,
It is characterized by
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。
Further, the unit covering member can suppress the flow volume of the cooling fluid in the outer flow passage so that the cooling fluid can flow in the inner flow passage by a predetermined amount by the action of Bernoulli's theorem by the cooling fluid. Transforms to an inside diameter,
You may do so.
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。
The unit covering member has an inner diameter at which an inner peripheral surface of the unit covering member and an outer peripheral surface of the single cell are close to each other.
You may do so.
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。
The unit covering member has a small frictional resistance to the outer peripheral surface of the unit cell of the inner peripheral surface of the unit covering member.
You may do so.
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。
The unit covering member has water repellency on the inner circumferential surface,
You may do so.
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。
The unit covering member is made of fluorocarbon resin,
You may do so.
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。
The unit covering member includes a porous region
You may do so.
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。
The pipe joint separately holds an outer periphery of an end of each unit cell, and includes a concave communication groove communicating with the outside to inject the cooling fluid into the unit cell.
You may do so.
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。 Even when each unit cell is expanded or contracted while a plurality of unit cells are arranged close to each other in a substantially circular cross section and covered with the unit covering member, each unit cell in the unit covering member is uniformly cooled can do.
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。
Hereinafter, an embodiment of an artificial muscle actuator of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1 to 5, the
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。
The
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。
The heat resistant single
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。
The
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。
The
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。
The material and the shape of the
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。
The pipe fitting 30 is fitted to the end of the
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。
As shown in FIG. 6A, a
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。
As the entire structure of the
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。
A plurality of (several the number of unit cells 20) reinforcing
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。
In the non-energized state, as shown in FIG. 1A, the
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。
The cooling fluid may be liquid or gas as long as the shape
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。
Here, when the outermost peripheries of a plurality of
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。
Further, as shown in FIG. 5, even if there is a situation where there is a slight clearance A between the inner
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。
On the other hand, the
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。
If the
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。
Furthermore, by providing the inner
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。
The
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。 The present invention is capable of various embodiments and modifications without departing from the broad spirit and scope of the present invention. In addition, the embodiment described above is for explaining the present invention, and does not limit the scope of the present invention. That is, the scope of the present invention is indicated not by the embodiments but by the claims. And, various modifications applied within the scope of the claims and the meaning of the invention are considered to be within the scope of the present invention.
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
DESCRIPTION OF
Claims (8)
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。 A single cell comprising a shape memory alloy spring in which an electric wire and a wire are connected at an end portion, and a heat resistant single cell covering member covering an outer periphery of the shape memory alloy spring;
A unit covering member that covers the outermost periphery of the plurality of single cells disposed in a substantially circular shape in cross section in close proximity to each other;
And a pipe fitting which is fitted to the end of the unit covering member and injects a cooling fluid into the unit covering member.
The unit covering member expands and contracts in an axial direction along with the expansion and contraction of the unit cell accompanying the expansion and contraction of the shape memory alloy spring.
The unit covering member is configured to allow the cooling fluid to flow in a predetermined amount in the inner flow passage formed by the gap between the unit cells, and the cooling of the outer flow passage formed by the gap between the unit covering member and the unit cell. The inner diameter capable of suppressing the flow path volume of the fluid,
An artificial muscle actuator characterized by
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。 The unit covering member has an inner diameter capable of suppressing the flow volume of the cooling fluid in the outer flow passage so that the cooling fluid can flow in the inner flow passage by a predetermined amount by the action of Bernoulli's theorem by the cooling fluid. Transform into
The artificial muscle actuator according to claim 1, characterized in that
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。 The unit covering member has an inner diameter at which an inner peripheral surface of the unit covering member and an outer peripheral surface of the single cell are close to each other.
The artificial muscle actuator according to claim 1, characterized in that
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。 The unit covering member has a small frictional resistance to the outer peripheral surface of the unit cell of the inner peripheral surface of the unit covering member.
The artificial muscle actuator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that.
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。 The unit covering member has water repellency on the inner circumferential surface,
The artificial muscle actuator according to any one of claims 1 to 4, characterized in that.
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。 The unit covering member is made of fluorocarbon resin,
The artificial muscle actuator according to any one of claims 1 to 5, characterized in that.
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。 The unit covering member includes a porous region
The artificial muscle actuator according to any one of claims 1 to 5, characterized in that.
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。 The pipe joint separately holds an outer periphery of an end of each unit cell, and includes a concave communication groove communicating with the outside to inject the cooling fluid into the unit cell.
The artificial muscle actuator according to any one of claims 1 to 7, characterized in that:
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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JP2017222417A Pending JP2019094789A (en) | 2017-11-20 | 2017-11-20 | Artificial muscle actuator |
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2017
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