JP2019094790A

JP2019094790A - Unit coating member

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Publication number: JP2019094790A
Application number: JP2017222418A
Authority: JP
Inventors: 中村　太郎; Taro Nakamura; 太郎中村; 敏也石川; Toshiya Ishikawa; 安司渥美; Yasushi Atsumi
Original assignee: KANEKO CORD CO Ltd; KANEKO CORD KK; Chuo University
Current assignee: KANEKO CORD CO Ltd; KANEKO CORD KK; Chuo University
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2019-06-20

Abstract

To provide a unit coating member for actuator suitable to an artificial muscle actuator capable of evenly cooling each unit cell in a unit coating member, even in a case where each unit cell extends and contracts in a state where a plurality of unit cells approaches each other, is arranged with a cross section formed substantially circularly, and is coated with the unit coating member.SOLUTION: An actuator comprises: one or more unit cells comprising a shape memory alloy spring, and a heat-resistant unit cell coating member coating an outer periphery of the shape memory alloy spring; and a unit coating member coating the outermost periphery of the one or more unit cells, and forming a flow passage in which cooling fluid can flow. The unit coating member has a region made of low-repulsive porous fluororesin.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ユニット被覆部材に関する。 The present invention relates to a unit covering member.

近年、義肢を初めとする人間親和型ロボットの要求が高まりつつある。人間親和型ロボットの実現のため、生体筋肉筋と同様の高い柔軟性をもつ伸縮型の人工筋肉アクチュエータの研究が多くの研究機関で行われている。中でも、形状記憶合金（以下「ＳＭＡ」と略記することがある）を用いた人工筋肉アクチュエータは、小型軽量で大きな発生力を直接通電による加熱で発現させて駆動でき、高い柔軟性も有する。 In recent years, there has been an increasing demand for human-friendly robots, including artificial limbs. In order to realize human-friendly robots, many research institutes are conducting research on stretchable artificial muscle actuators with high flexibility similar to living muscle and muscle. Above all, an artificial muscle actuator using a shape memory alloy (hereinafter sometimes abbreviated as "SMA") is small in size, light in weight, and can be driven by direct heating to generate a large generation force, and has high flexibility.

本発明者らは、従来型のＳＭＡ人工筋肉アクチュエータの冷却手段に起因する応答性遅延の問題を解決するため、巻フィルムチューブ式ＳＭＡ人工筋肉アクチュエータを開発し、さらに、そのモバイル化の検討を行い、非特許文献１に開示した（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で、人工筋肉の最小単位となる単セルを構成している。この人工筋肉アクチュエータの冷却は、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行っている。この天然ゴムチューブとしては、弾性変形限界が１０００％程度の高い柔軟性を有するものを用いることができる。 The present inventors have developed a wound film tube type SMA artificial muscle actuator to solve the problem of the response delay caused by the cooling means of the conventional SMA artificial muscle actuator, and further studied its mobilization. Non-Patent Document 1 (Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 have the same contents). In the artificial muscle actuator disclosed in Non-Patent Document 1, a shape memory alloy spring having an electric wire and an aramid yarn connected at its end and a polyimide film cut into a substantially rectangular shape and wound around the shape memory alloy spring in a cylindrical shape A single-cell covering member, which is a wound film tube, constitutes a single cell which is a minimum unit of an artificial muscle. The artificial muscle actuator is cooled by inserting a plurality of single cells into a natural rubber tube as a unit covering member to form a component, and flowing a coolant through the natural rubber tube. As this natural rubber tube, one having high flexibility with an elastic deformation limit of about 1000% can be used.

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.103-112Toshiya Ishikawa, Taro Nakamura, "Study on stiffness control method by moving a film tube type SMA artificial muscle actuator by mobile and antagonistic arrangement", Transactions of the Society of Measurement and Automatic Control, The Society of Measurement and Automatic Control, March 2016, Vol. .52, No. 3, p. 103-112 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.220-227Toshiya Ishikawa (Toshiya Ishikawa), Taro Nakamura (Taro Nakamura) A study on stiffness control method by mobile and antagonist arrangement of wound film tube type SMA artificial muscle actuator (Portability and Antagonistic Stiffness Control for an Shape Memory Alloy Artificial Muscle Actuator Protected by Protected by a Rolled Film Tube), IEEE International Conference on 2016 Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2016 IEEE International Conference on, Canada, IEEE, July 2016, 978- 5090-2064-5 / 16, p. 220-227

しかしながら、非特許文献１の人工筋肉アクチュエータは、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の天然ゴムチューブで覆った状態で各単セルを収縮させる態様では、天然ゴムチューブが、軸方向の長さが短くなる一方、径方向に膨らみ、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。 However, the artificial muscle actuator of Non-Patent Document 1 arranges a plurality of single cells close to each other in a substantially circular shape in cross section and contracts each single cell in a state covered with a natural rubber tube of a unit covering member The natural rubber tube expands in the radial direction while the axial length decreases, and the gap between the unit cell positioned on the outermost side and the natural rubber tube becomes large, and the cooling fluid is exclusively used in the large gap. It is difficult for the coolant to flow sufficiently to the unit cells located in the central portion, and it is difficult to uniformly cool each unit cell.

従って、本発明の課題は、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に適したアクチュエータ用ユニット被覆部材を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to arrange the unit covering member even when the plurality of unit cells are arranged close to each other in a substantially circular cross section and covered with the unit covering member, It is an object of the present invention to provide a unit covering member for an actuator suitable for an artificial muscle actuator which can cool each unit cell uniformly.

上記目的を達成するため、本発明のアクチュエータ用のユニット被覆部材は、
前記アクチュエータが、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、を備える１本以上の単セルと、
前記１本以上の単セルの最外周を覆い、冷却流体が流れ得る流路を形成するユニット被覆部材と、を備え、
前記ユニット被覆部材が、低反発性多孔質フッ素樹脂からなる領域を有する。 In order to achieve the above object, a unit covering member for an actuator of the present invention is
One or more single cells, wherein the actuator comprises a shape memory alloy spring and a heat resistant single cell covering member covering the outer periphery of the shape memory alloy spring.
A unit covering member that covers the outermost periphery of the one or more unit cells and forms a flow path through which a cooling fluid can flow;
The unit covering member has a region made of a low resilience porous fluororesin.

前記ユニット被覆部材は、前記アクチュエータが収縮するときはその変位に追従して収縮し、前記アクチュエータが弛緩するときはその変位に追従して弛緩し、かつユニット被覆部材の径は略一定に維持される、と好ましい。 The unit covering member contracts following its displacement when the actuator contracts, follows the displacement when the actuator relaxes, and the diameter of the unit covering member is maintained substantially constant. Is preferred.

前記低反発性多孔質フッ素樹脂は、連続気泡構造を有する発泡型多孔質フッ素樹脂を含む、と好ましい。 It is preferable that the low resilience porous fluorine resin contains a foam type porous fluorine resin having an open cell structure.

前記ユニット被覆部材は、更に非多孔質フッ素樹脂からなる層を有する、と好ましい。 It is preferable that the unit covering member further has a layer made of non-porous fluororesin.

前記低反発性多孔質フッ素樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン多孔質体である、と好ましい。 The low resilience porous fluororesin is preferably a polytetrafluoroethylene porous body.

前記低反発性多孔質フッ素樹脂の空孔率は、４０％以上５０％以下である、と好ましい。 The porosity of the low resilience porous fluororesin is preferably 40% or more and 50% or less.

本発明によれば、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に適したアクチュエータ用ユニット被覆部材が提供される。 According to the present invention, even if each unit cell is expanded or contracted in a state in which a plurality of unit cells are arranged close to each other in a substantially circular cross section and covered by the unit covering member, each unit in the unit covering member An actuator unit covering member suitable for an artificial muscle actuator capable of uniformly cooling a single cell is provided.

本発明のユニット被覆部材を備える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。It is an outline view concerning one embodiment of an artificial muscle actuator provided with a unit covering member of the present invention. 図１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。It is a longitudinal cross-sectional view concerning one embodiment of the artificial muscle actuator of FIG. 図１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。FIG. 2 is an enlarged longitudinal cross-sectional view of an embodiment of the artificial muscle actuator of FIG. 1; 図３のＡ−Ａ線矢視断面図である。It is an AA line arrow directional cross-sectional view of FIG. 本発明に係る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。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3 showing an operation according to an embodiment of an artificial muscle actuator according to the present invention. 本発明に係る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。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS (a) Right side view of the coupling for piping concerning one embodiment of the artificial muscle actuator concerning the present invention, (b) Longitudinal section, (c) It is a left side view.

以下、本発明のユニット被覆部材の一態様について図面を参照して詳細に説明するが、本発明は、本態様に限定されない。 Hereinafter, one aspect of the unit covering member of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited to this aspect.

本態様のユニット被覆部材は、図１に示されるようなアクチュエータ１用のユニット被覆部材である。このアクチュエータ１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、を備える１本以上の単セル２０と、ユニット被覆部材１０と、を備える。ユニット被覆部材１０は、その１本以上の単セル２０の最外周を覆い、冷却流体が流れ得る流路を形成している。ユニット被覆部材１０は、後述するとおり、低反発性多孔質フッ素樹脂からなる領域を有する。 The unit covering member of this embodiment is a unit covering member for the actuator 1 as shown in FIG. The actuator 1 includes one or more unit cells 20 each having a shape memory alloy spring 22 and a heat resistant single cell covering member 26 covering the outer periphery of the shape memory alloy spring 22, and a unit covering member 10. Prepare. The unit covering member 10 covers the outermost periphery of the one or more single cells 20 and forms a flow path through which the cooling fluid can flow. The unit covering member 10 has a region made of a low resilience porous fluororesin as described later.

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。 As shown in FIGS. 1 to 5, the artificial muscle actuator 1 is a unit covering member that covers the outermost circumferences of a plurality of single cells 20 and a plurality of single cells 20 disposed close to each other and having a substantially circular cross section. And 10, a pipe fitting 30 fitted to the end of the unit covering member 10 and injecting a cooling fluid into the unit covering member 10.

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 unit cell 20 is configured of a shape memory alloy spring 22 and a heat resistant single cell covering member 26 that covers the outer periphery of the shape memory alloy spring 22. The shape memory alloy spring 22 generally has a configuration in which an electric wire and a wire are connected at the end, but in the single cell 20 of the present embodiment shown in FIGS. The reinforced electric wire 24 having the functions of the two and the wire is connected, and the reinforced electric wire 24 extends to the outside of the unit cell covering member 26.

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 cell covering member 26 covering the outer periphery of the shape memory alloy spring 22 of the single cell 20 is heat resistant and has a substantially cylindrical shape which is expanded and contracted in the axial direction following the expansion and contraction of the shape memory alloy spring 22. It is a thing. The unit cell covering member 26 needs to have heat resistance because the shape memory alloy spring 22 generates heat, and the material and shape are large in elastic compliance and excellent in flexibility without losing the generation force of the shape memory alloy spring 22. More preferable. If such requirements as the unit cell covering member 26 are satisfied, it is not restricted by the material or the shape, and for example, it is possible to use a wound film tube etc. in which a polyimide film is formed into a strip and wound up in a cylindrical shape is there.

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 unit covering member 10 covers the outermost periphery of a plurality of unit cells 20 arranged close to each other and having a substantially circular cross section, and unitizes the plurality of unit cells 20. In the artificial muscle actuator 1 shown in FIGS. 4 and 5, seven unit cells 20 are accommodated in one unit covering member 10 to cover the outermost periphery of the unit cells 20, but the number of unit cells 20 is different. There is no limitation, and the number of single cells 20 is arbitrary.

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 unit covering member 10 is expanded and contracted in the axial direction along with the expansion and contraction of the unit cell 20 accompanying the expansion and contraction of the shape memory alloy spring 22. Further, although the unit covering member 10 will be described in detail later, the clearance between the unit covering member 10 and the single cell 20 so that the cooling fluid can flow a predetermined amount into the inner flow passage 200 formed by the clearance between each single cell 20. It is an internal diameter which can suppress the flow path volume of the cooling fluid of the outer side flow path 100 which becomes.

ユニット被覆部材１０の形状は、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、所定の密閉性を有する必要がある。 The shape of the unit covering member 10 is such that a plurality of unit cells 20 can be unitized by covering the outermost periphery of a plurality of unit cells 20 arranged close to each other and having a substantially circular cross section, and in the axial direction It may be any type as long as it can be expanded and contracted, as well as a simple cylindrical or polygonal shape as shown in each drawing of the present embodiment, and an expandable rod-like antenna structure in which a plurality of cylindrical members are fitted in the axial direction. May be. However, the unit covering member 10 needs to have a predetermined sealing property in order to flow the cooling fluid inside.

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 unit covering member 10 and injects the cooling fluid into the unit covering member 10. As shown in detail in FIG. 6, the piping joint 30 is composed of a substantially cylindrical unit cell array socket 40 and a cap-like end boot 50. A single cell piping socket mounting groove 50c provided on the inner periphery of the open end 50a of the end boot 50 is fitted in the end boot mounting groove 40b provided on the outer periphery of one end of the single cell array socket 40. It connects so that the end boot 50 may be covered on the end of 40. A unit covering member mounting groove 40 a is provided on the outer periphery of the other end of the unit cell array socket 40. Further, the other end of the single cell array socket 40 holds the outer periphery of the end of each single cell 20 individually, and has a concave communication in communication with the outside for injecting the cooling fluid into the inside of each single cell 20 A single cell insertion hole 42 which is a groove is provided. In the single cell array socket 40 of the present embodiment, as shown in FIG. 6 (c), the single cell insertion holes 42, which are concave communication grooves, have an axial center so that the single cells 20 are uniformly disposed. It is arranged radially to.

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 tube attachment hole 52 for piping, a wire extraction hole 54 and a lead wire extraction hole 56 are bored in the closed end 50b of the end boot 50, and each communicates with the open end 50a. doing. A cylindrical pipe 58 is inserted into the pipe attachment hole 52. According to such a pipe joint 30, by spreading the cooling fluid over one single cell 20, it is possible to uniformly cool each single cell 20.

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 artificial muscle actuator 1, first, a plurality of unit cells 20 are accommodated in a state in which the unit covering member 10 is arranged close to each other in a substantially circular shape in cross section, and reinforced from both ends of the unit covering member 10 In the state where the electric wire 24 comes out, the pipe joint 30 is inserted in the form in which the unit cover member mounting groove 40a of the pipe joint 30 is fitted into the unit cover member 10 at both ends of the unit cover member 10. The end of each unit cell 20, that is, the end of the unit covering member 10 is inserted in the unit cell insertion hole 42 of the unit cell array socket 40 of the pipe joint 30 while maintaining the unit cell 20 arrangement. It is fitted and fixed.

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 wires 24 are knotted inside the end boot 50, and lead wires 24a and wires 24b, which are wires, extend from the nodes. The lead wire 24 a extends through the lead wire takeout hole 56 of the end boot 50 to the outside of the artificial muscle actuator 1. The wire 24 b is, for example, an aramid thread, and extends outside the artificial muscle actuator 1 through the wire takeout hole 54 of the end boot 50. The lead wire outlet hole 56 through which the lead wire 24a is inserted and the wire outlet hole 54 through which the wire 24b is inserted are molded. A cooling fluid tube 60 for supplying a cooling fluid is connected to and attached to the piping tube 58 of the piping joint 30.

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 artificial muscle actuator 1 having such a structure extends to the shape memory alloy spring 22 of each unit cell 20 through the lead wire 24 a and the reinforcing wire 24. When energized, the shape memory alloy spring 22 contracts and the entire artificial muscle actuator 1 contracts as shown in FIG. 1 (b). More specifically, the artificial muscle actuator 1 utilizes the generated force when the load strain given by the shape memory alloy spring 22 at a low temperature is eliminated by phase transformation at a high temperature. The artificial muscle actuator 1 is driven by being expressed by phase transformation by heating by direct current conduction. For this reason, it is necessary to control the temperature of the shape memory alloy spring 22, and it is necessary to cool the single cell 20 with a cooling fluid in addition to heating by energization.

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、フッ素系樹脂に不活性な粘度の低いシリコンオイルや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、不活性ガスなどが使用可能である。 The cooling fluid may be liquid or gas as long as the shape memory alloy spring 22 can be cooled. The cooling fluid is preferably chemically inert and low in viscosity, and in the case of a liquid, for example, silicone oil, ethylene glycol, water and the like having low viscosity and inert to fluorine-based resins are preferable, and in the case of gas, for example, air, Nitrogen gas, inert gas, etc. can be used.

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、天然ゴムチューブ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の収縮・弛緩に伴う単セル２０の収縮・弛緩に伴って軸方向に収縮・弛緩すると共に、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 single cells 20 disposed close to each other and having a substantially circular cross section like the artificial muscle actuator 1 are simply covered with a conventional natural rubber tube, the shape memory alloy spring 22 The natural rubber tube can be expanded and contracted in the axial direction according to the expansion and contraction, but the gap between the inner circumferential surface of the natural rubber tube and the single cell expands, and the cooling fluid flows exclusively into this gap and the gap between the single cells 20 mutually And the single cells 20 can not be cooled uniformly. For this reason, the unit covering member 10 of the present invention contracts and relaxes in the axial direction along with the contraction and relaxation of the single cell 20 accompanying the contraction and relaxation of the shape memory alloy spring 22, and the cooling fluid in the inner flow passage 200 The inner diameter of the cooling fluid of the outer flow passage 100 can be suppressed so that a predetermined amount of flow can be obtained, and each unit cell 20 in the unit covering member 10 is characterized by using such an inner diameter. Can be cooled uniformly.

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 circumferential surface 10 a of the unit covering member 10 and the outer circumferential surface 20 a of the unit cell 20, the unit covering member 10 is cooled With the flow of fluid, as shown in FIG. 4, the configuration is such that the inner peripheral surface 10a of the unit covering member 10 is deformed to be in close contact with the outer peripheral surface of the unit cell 20 by the action of Bernoulli's theorem and the gap A disappears. It may be Thus, the unit covering member 10 can suppress the flow volume of the cooling fluid in the outer flow passage 100 so that the cooling fluid can flow in the inner flow passage 200 by a predetermined amount by the action of Bernoulli's theorem by the cooling fluid By deforming to the inner diameter, each single cell 20 in the unit covering member 10 can be cooled uniformly.

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 unit covering member 10 may have an inner diameter such that the inner circumferential surface 10 a of the unit covering member 10 and the outer circumferential surface 20 a of the unit cell 20 are close to each other. Thus, although unit covering member 10 axially expands and contracts with expansion and contraction of unit cell 20 accompanying expansion and contraction of shape memory alloy spring 22, inner peripheral surface 10a of unit covering member 10 and the outer peripheral surface of unit cell 20 By maintaining the inner diameter close to 20a, that is, the inner diameter capable of suppressing the flow volume of the cooling fluid of the outer flow passage 100 is maintained so that the cooling fluid can flow to the inner flow passage 200 by a predetermined amount. Thus, each single cell 20 in the unit covering member 10 can be cooled uniformly.

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 inner diameter 10a of the unit covering member 10 and the outer peripheral surface 20a of the unit cell 20 are close to each other, the unit covering member 10 may prevent the movement of the unit cell 20, but the inner diameter 10a of the unit covering member 10 By reducing the frictional resistance to the outer peripheral surface 20a of the unit cell 20, smooth movement of the unit cell 20 within the unit covering member 10 can be ensured.

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 circumferential surface 10 a of the unit covering member 10 with water repellency, the frictional resistance of the inner circumferential surface 10 a of the unit covering member 10 to the outer circumferential surface 20 a of the unit cell 20 is reduced. The smooth movement of the unit cell 20 can be ensured, and the flow of the cooling fluid in the outer flow passage 100 can be promoted as long as the flow of the cooling fluid in the inner flow passage 200 is not impeded.

前述の通り、ユニット被覆部材１０は、低反発性多孔質フッ素樹脂からなる領域を有する。ユニット被覆部材１０が摩擦係数が少ないフッ素樹脂からなることで、冷却流体や単セル２０と接触抵抗、摺動抵抗を少なくできる。また、耐薬品性、絶縁性が高くなる。さらに、冷却流体が水系冷却媒体であるときは、撥水性に優れる。 As described above, the unit covering member 10 has the area made of the low resilience porous fluorine resin. When the unit covering member 10 is made of fluorine resin having a small coefficient of friction, the contact resistance and the sliding resistance with the cooling fluid and the single cell 20 can be reduced. Moreover, chemical resistance and insulation become high. Furthermore, when the cooling fluid is a water-based cooling medium, the water repellency is excellent.

また、低反発性多孔質フッ素樹脂は、低反発性の特性を有する多孔質のフッ素樹脂であり、例えば、発泡した及び／又は延伸したフッ素樹脂が挙げられる。ここで、低反発性とは、スポンジのように圧縮応力が小さい特性をいう。低反発性多孔質フッ素樹脂は、特定方向の圧縮応力が小さく、かつ引っ張り応力が大きい特性で、更に他の方向の圧縮応力及び／又は引っ張り応力が大きい特性を有するとより好ましい。 The low resilience porous fluororesin is a porous fluororesin having low resilience characteristics, and examples thereof include foamed and / or stretched fluororesins. Here, the low resilience means a property such as a sponge having a small compressive stress. It is more preferable that the low resilience porous fluororesin has a characteristic that the compressive stress in a specific direction is small and the tensile stress is large, and further that the compressive stress and / or the tensile stress in other directions is large.

また、低反発性多孔質フッ素樹脂からなる領域を有するユニット被覆部材は、アクチュエータの収縮方向の圧縮応力が小さく、かつ引っ張り応力が大きい特性で、更にアクチュエータの収縮方向に対して垂直の径方向の圧縮応力及び／又は引っ張り応力が大きい特性を有すると好ましい。このような特性のため、通常のアクチュエータの作動条件では、形状記憶合金バネの発生力に対してアクチュエータの収縮方向の圧縮応力が十分に小さいので、アクチュエータが収縮するときはその変位に追従してユニット被覆部材が収縮し、アクチュエータが弛緩するときはその変位に追従してユニット被覆部材が弛緩し、かつユニット被覆部材の径は略一定に維持される。 Further, a unit covering member having a region made of a low resilience porous fluorine resin is characterized in that the compressive stress in the contraction direction of the actuator is small and the tensile stress is large, and further the radial direction perpendicular to the contraction direction of the actuator It is preferable that the compressive stress and / or the tensile stress have large properties. Because of these characteristics, under normal operating conditions of the actuator, the compressive stress in the contraction direction of the actuator is sufficiently smaller than the generated force of the shape memory alloy spring, so when the actuator contracts, follow its displacement When the unit covering member contracts and the actuator relaxes, the unit covering member relaxes following its displacement, and the diameter of the unit covering member is maintained substantially constant.

低反発性多孔質フッ素樹脂の多孔質は、独立した気泡が並んだ構造（独立気泡構造）を有するものであっても、連続した気泡が並んだ構造（連続気泡構造）を有するものであっても、その両方（例えば半独立半連続気泡構造）であってもよいが、圧縮応力が小さくできる観点で、連続気泡構造を有すると好ましい。 The low-repellant porous fluorocarbon resin has a structure (open cell structure) in which continuous cells are aligned, even if it has a structure in which independent cells are aligned (closed cell structure) Although both of them (for example, a semi-independent semi-continuous cell structure) may be used, it is preferable to have an open cell structure in that the compressive stress can be reduced.

フッ素樹脂としては、常温（２０℃±１５℃）で固体のフッ素含有高分子化合物であれば特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ、ＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）などが挙げられる。中でも、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が好ましい。 The fluorine resin is not particularly limited as long as it is a solid fluorine-containing polymer compound at normal temperature (20 ° C. ± 15 ° C.), and examples thereof include polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE, CTFE), Polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), perfluoroalkoxy fluorine resin (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (FEP), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene-chlorotrifluoro Ethylene copolymer (ECTFE) etc. are mentioned. Among them, polytetrafluoroethylene (PTFE) is preferable.

これらのフッ素樹脂は、例えば、デュポン株式会社製のテフロン（ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ）、テフゼル（ＥＴＦＥ）、カルレッツ（ＦＦＫＭ）、テドラー（ＰＶＦ）、ダイキン工業株式会社製のポリフロン（ＰＴＦＥ）、ネオフロン（ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＣＴＦＥ、ＥＴＦＥ）、旭硝子株式会社製のフルオン（ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥ）として入手可能である。 These fluorine resins include, for example, Teflon (PTFE, PFA, FEP) manufactured by DuPont Co., Ltd., Tefzel (ETFE), Callets (FFKM), Tedlar (PVF), Polyflon (PTFE) manufactured by Daikin Industries, Ltd. PFA, FEP, CTFE, ETFE), available as Asahi Glass Co., Ltd. Fluon (PTFE, PFA, ETFE).

フッ素樹脂の多孔化方法は特に限定されないが、例えば、溶融又は溶解したフッ素樹脂に気体を吹き込んだり、発泡剤を含有させたフッ素樹脂組成物の発泡剤を、熱や化学的に分解させて発泡させて、多孔化できる。 The method for making the porous resin porous is not particularly limited. For example, a gas may be blown into a molten or dissolved fluorocarbon resin, or a foaming agent of the fluorocarbon resin composition containing a foaming agent may be thermally or chemically decomposed to foam It can be made porous.

他のフッ素樹脂の多孔化方法としては、フッ素樹脂を延伸する方法がある。例えばフッ素樹脂がＰＴＦＥである場合、剪断応力で細かい繊維を形成する特性があるので、繊維が交絡して隙間が生じる。延伸によって、繊維の開裂と引き出しにより多孔化できる。 Another method for making porous fluororesins is to stretch the fluororesin. For example, when the fluorocarbon resin is PTFE, the fibers are entangled to form gaps due to the property of forming fine fibers by shear stress. By drawing, the fibers can be made porous by cleavage and drawing.

孔の大きさは、冷却流体に対する所定のシーリング性を備える程度の小ささであることを要するが、冷却流体の少なくとも一部を透過しない大きさであれば特に限定されない。 The size of the holes needs to be small enough to provide a predetermined sealing property to the cooling fluid, but is not particularly limited as long as it does not permeate at least a part of the cooling fluid.

多孔質フッ素樹脂としては、例えば住友電気工業株式会社製のポアフロン（ＰＴＦＥ多孔質材料）などが挙げられる。 Examples of porous fluororesins include Poreflon (PTFE porous material) manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd., and the like.

また、多孔質フッ素樹脂をユニット被覆部材に成形したものとしては、例えば中興化成工業株式会社製のチューコーフロー（ＰＴＦＥ多孔質チューブ）、住友電工ファインポリマー株式会社製のポアフロンチューブ（ＰＴＦＥ多孔質体のチューブ）、ニチアス株式会社製の９００３−ＰＳチューブ（多孔質ＰＴＦＥチューブ）等が挙げられる。 Further, as a unit covering member formed of porous fluorine resin, for example, Chuko Flow (PTFE porous tube) manufactured by Chuko Kasei Kogyo Co., Ltd., Poreflon tube (PTFE porous body manufactured by Sumitomo Electric Fine Polymer Co., Ltd.) Tube), 9003-PS tube (porous PTFE tube) manufactured by Nichias Co., Ltd., and the like.

多孔質フッ素樹脂の空隙率は特に限定されないが、４０％以上６０％以下であると好ましく、４０％以上５０％以下であるとより好ましい。ここで、空隙率は、多孔質フッ素樹脂中に形成されている隙間の存在割合を示す指標である。 The porosity of the porous fluororesin is not particularly limited, but is preferably 40% or more and 60% or less, and more preferably 40% or more and 50% or less. Here, the porosity is an index indicating the existence ratio of the gaps formed in the porous fluororesin.

ユニット被覆部材中の多孔質フッ素樹脂からなる領域は、少なくても一部であればよく、例えば、ユニット被覆部材が、多孔質フッ素樹脂の層と、非多孔質フッ素樹脂の層の二層構造とすることもできる。また、例えば、アクチュエータの伸縮方向で、非多孔質フッ素樹脂のみからなる領域と、多孔質フッ素樹脂を含む領域をブロック式に設けることによって、径方向の収縮応力及び引っ張り応力と、アクチュエータの延伸方向への引っ張り応力に対して、アクチュエータの収縮方向のみの収縮応力を小さくすることができる。 The region made of porous fluorocarbon resin in the unit covering member may be at least a part, and for example, the unit covering member has a two-layer structure of a layer of porous fluorocarbon resin and a layer of nonporous fluorocarbon resin It can also be done. Also, for example, by providing a region consisting only of non-porous fluororesin and a region including porous fluororesin in a block type in the expansion and contraction direction of the actuator, radial contraction stress and tensile stress, and extension direction of the actuator The contraction stress only in the contraction direction of the actuator can be reduced against the tensile stress.

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 Reference Signs List 1 actuator 10 unit covering member 10a inner circumferential surface 20 single cell 20a outer circumferential surface 22 shape memory alloy spring 24 reinforced electric wire 24a lead wire 24b wire 26 single cell covering member 30 piping joint 40 single cell array socket 40a unit covering member mounting groove 40b End boot mounting groove 42 Single cell insertion hole 50 End boot 50a Open end 50b Closed end 50c Single cell array socket mounting groove 52 Piping tube mounting hole 54 Wire extraction hole 56 Lead wire extraction hole 58 Piping tube 60 Cooling fluid tube 100 outside channel 200 inside channel

Claims

アクチュエータ用ユニット被覆部材であって、
前記アクチュエータは、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、を備える１本以上の単セルと、
前記１本以上の単セルの最外周を覆い、冷却流体が流れ得る流路を形成するユニット被覆部材と、を備え、
前記ユニット被覆部材は、低反発性多孔質フッ素樹脂からなる領域を有する、ことを特徴とするユニット被覆部材。 A unit covering member for an actuator,
The actuator includes one or more single cells including a shape memory alloy spring 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 one or more unit cells and forms a flow path through which a cooling fluid can flow;
A unit covering member characterized in that the unit covering member has a region made of a low resilience porous fluororesin.

前記ユニット被覆部材は、前記アクチュエータが収縮するときはその変位に追従して収縮し、前記アクチュエータが弛緩するときはその変位に追従して弛緩し、かつユニット被覆部材の径は略一定に維持される、ことを特徴とする請求項１に記載のユニット被覆部材。 The unit covering member contracts following its displacement when the actuator contracts, follows the displacement when the actuator relaxes, and the diameter of the unit covering member is maintained substantially constant. The unit covering member according to claim 1,

前記低反発性多孔質フッ素樹脂は、連続気泡構造を有する発泡型多孔質フッ素樹脂を含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のユニット被覆部材。 The unit covering member according to claim 1 or 2, wherein the low resilience porous fluorocarbon resin comprises a foamed porous fluorocarbon resin having an open cell structure.

前記ユニット被覆部材は、更に非多孔質フッ素樹脂からなる層を有する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のユニット被覆部材。 The unit covering member according to any one of claims 1 to 3, wherein the unit covering member further has a layer made of non-porous fluorine resin.

前記低反発性多孔質フッ素樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン多孔質体である、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のユニット被覆部材。 The unit covering member according to any one of claims 1 to 4, wherein the low resilience porous fluororesin is a polytetrafluoroethylene porous body.

前記低反発性多孔質フッ素樹脂の空孔率は、４０％以上５０％以下である、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項にユニット被覆部材。 The unit covering member according to any one of claims 1 to 5, wherein a porosity of the low resilience porous fluororesin is 40% or more and 50% or less.