特許 7137579 アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-06

(45)【発行日】2022-09-14

(54)【発明の名称】アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   F03G 7/06 20060101AFI20220907BHJP

【ＦＩ】

F03G7/06 G

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019556155

(86)(22)【出願日】2018-10-29

(86)【国際出願番号】 JP2018040167

(87)【国際公開番号】W WO2019102799

(87)【国際公開日】2019-05-31

【審査請求日】2021-08-06

(31)【優先権主張番号】P 2017223548

(32)【優先日】2017-11-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000102980

【氏名又は名称】リンテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100126882

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 光永

(74)【代理人】

【識別番号】100153763

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 広之

(72)【発明者】

【氏名】河原 準

【審査官】小関 峰夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－３９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２３４５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－４２７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１７２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０２２１４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１２３２４０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３１４５３９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｇ ７／０６

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加熱により繊維軸を中心とした回転駆動をする繊維状高分子材料と、前記繊維状高分子材料の両端を固定する固定手段とを備え、
前記繊維状高分子材料の両端が、前記固定手段により引張応力Ｔ（ＭＰａ）で固定されており、前記引張応力Ｔ（ＭＰａ）が、前記繊維状高分子材料の繊維軸方向のヤング率Ｅ（ＭＰａ）との間に、下記式（１）の関係を有するアクチュエータ。
０．０１１×Ｅ≦Ｔ≦０．０２３×Ｅ ・・・・（１）

【請求項2】

更に、加熱手段を備える、請求項１に記載のアクチュエータ。

【請求項3】

前記繊維状高分子材料を構成する高分子が、前記繊維状高分子材料の繊維軸と非平行の規則的な高分子配向を有するものを含む、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。

【請求項4】

前記繊維状高分子材料は捻られたものである、請求項３に記載のアクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アクチュエータに関する。
本願は、２０１７年１１月２１日に、日本に出願された特願２０１７－２２３５４８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

【背景技術】

【0002】

先進国における高齢化社会の到来、ロボット工学の発達、人類の知的活動へのシフトなどから、様々な物品の動力化が求められており、種々のアクチュエータが提案されている。例えば、特許文献１には、コイル状又は非コイル状に撚りが挿入されたポリマーファイバーを含むアクチュエータにより、可逆的な電熱ねじり作動や、引張作動が実証されたことが開示されている。

【0003】

アクチュエータが含む非コイル状に撚りが挿入されたポリマーファイバーは、シングルフィラメントまたはマルチフィラメントである、高強度で高度に鎖配向した前駆体ポリマーファイバーに、コイル化を生成しないレベルまで、撚りを挿入することにより形成される。

【0004】

アクチュエータが含むコイル状に撚りが挿入されたポリマーファイバーは、前記前駆体ポリマーファイバーに、コイル化が起こるまで撚りを挿入するか、又は、前記前駆体ポリマーファイバーにコイル化を生成しないレベルまで、撚りを挿入し、次いで、最初に挿入された撚りに、同じ方向または反対方向にコイル化を挿入することにより形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１６－４２７８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

このように、特許文献１には、ねじり作動（すなわち、回転駆動）を与える高分子アクチュエータが開示されているが、アクチュエータを駆動する温度環境によっては、アクチュエータの駆動安定性が低下する場合がある。

【0007】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広い温度範囲の環境下で駆動安定性に優れたアクチュエータを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明者らが検討した結果、以下の知見を得た。高分子アクチュエータを構成する繊維状高分子材料は、素材ごとに異なる温度－機械特性を有し、一般にガラス転移点温度（Ｔｇ）を超える温度環境下では機械強度（たとえば、ヤング率）が低下する。これにより、アクチュエータを、その繊維状高分子材料のガラス転移温度（Ｔｇ）よりも高い温度（たとえば、ガラス転移温度（Ｔｇ）が４７℃であれば、８０℃）で駆動させるようとすると、アクチュエータの駆動安定性へ悪影響を及ぼすことがわかった。すなわち、アクチュエータを上記の高い温度で駆動させる場合、ヤング率の低下は固定張力（すなわち、引張応力）の低下につながり、固定張力の低下はアクチュエータの駆動安定性へ悪影響を及ぼすことを見出した。また、室温での張力が高すぎてもアクチュエータにおける繊維状高分子材料の破断等の懸念がある。

【0009】

このような知見に基づく、本発明の第一の態様に係るアクチュエータは、以下の通りである。
（１）加熱により繊維軸を中心とした回転駆動をする繊維状高分子材料と、前記繊維状高分子材料の両端を固定する固定手段とを備え、
前記繊維状高分子材料の両端が、前記固定手段により引張応力Ｔ（ＭＰａ）で固定されており、前記引張応力Ｔ（ＭＰａ）が、前記繊維状高分子材料の繊維軸方向のヤング率Ｅ（ＭＰａ）との間に、下記式（１）の関係を有するアクチュエータ。
０．０１１×Ｅ≦Ｔ≦０．０２３×Ｅ ・・・・（１）

【0010】

（２）更に、加熱手段を備える、前記（１）に記載のアクチュエータ。
（３）前記繊維状高分子材料を構成する高分子が、前記繊維状高分子材料の繊維軸と非平行の規則的な高分子配向を有するものを含む、前記（１）又は（２）に記載のアクチュエータ。
（４）前記繊維状高分子材料は捻られたものである、前記（３）に記載のアクチュエータ。

【発明の効果】

【0011】

本発明のアクチュエータは、広い温度範囲の環境下で優れた駆動安定性を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係るアクチュエータを示す概略図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るアクチュエータの要部を示す概略図である。

【図3】本発明の一実施形態に係るアクチュエータの製造方法の一例を示す概略図である。

【図4】アクチュエータの仕事率の測定方法を示す概略図である。

【図5】アクチュエータの仕事率の測定方法を示す概略図である。

【図6】実施例のアクチュエータの動作安定性評価の結果の一例を示すグラフである。

【図7】比較例のアクチュエータの動作安定性評価の結果の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１は、本発明の一実施形態に係るアクチュエータ１を示す概略図である。
アクチュエータ１は、加熱により繊維軸を中心とした回転駆動をする繊維状高分子材料１０と、繊維状高分子材料１０の両端を固定する固定手段２０，２１とを備え、繊維状高分子材料１０の両端が、固定手段２０、２１により引張応力Ｔ（ＭＰａ）で固定されており、引張応力Ｔ（ＭＰａ）が、繊維状高分子材料１０の繊維軸方向のヤング率Ｅ（ＭＰａ）との間に、下記式（１）の関係を有する。

【0014】

０．０１１×Ｅ≦Ｔ≦０．０２３×Ｅ ・・・・（１）

【0015】

上記式（１）は、繊維状高分子材料のガラス転移温度（Ｔｇ）に関わらずいずれかの温度におけるものであってよく、繊維状高分子材料のＴｇ－２２℃以上Ｔｇ以下のいずれかの温度におけるものであってよく、繊維状高分子材料のＴｇ－２２℃におけるものであってよく、２５℃におけるものであってよい。
固定手段２０、２１により繊維状高分子材料１０を固定する際の引張応力Ｔを式（１）の条件とすることで、実施形態のアクチュエータ１は、広い温度範囲の環境下で安定した駆動性を得ることができる。

【0016】

実施形態のアクチュエータにおいて、繊維状高分子材料１０は、捻られたものであることが好ましい。捻られた（すなわち、捻り処理済み）繊維状高分子材料１０は、通常、螺旋を巻かず、直線形状を維持したままで非コイル状に撚りが挿入されることにより得ることができる。また、捻られた繊維状高分子材料１０は、一般的な繊維の紡糸、撚糸の工程において、繊維状形状を形成させる段階において、捻りが加えられたもの、すなわち、繊維状高分子材料の製造工程において捻られたものであってもよい。繊維状高分子材料１０が捻られたものであることにより、加熱により駆動可能なアクチュエータが、より一層効率的に駆動可能となる。

【0017】

未処理の繊維状高分子材料を予め製造し、その後、撚りを挿入する方法により繊維状高分子材料を捻る場合、繊維状高分子材料１０として、例えば、直径５００μｍのナイロン６，６のモノフィラメントを２５℃の環境下で、例えば、ナイロン６，６のモノフィラメントのヤング率の１×１０^－３～１×１０^－２倍の適度な引張応力を加えてコイル化を生じさせないように捻じると、１ｍ当たり４００～６００回程度まで回転させた非コイル状の捻り処理済みモノフィラメントを得ることができる。

【0018】

また、繊維状高分子材料１０として、例えば、直径２５０μｍのナイロン６，６のモノフィラメントを２５℃の環境下で、ナイロン６，６のモノフィラメントのヤング率の１×１０^－３～１×１０^－２倍の適度な引張応力を加えてコイル化を生じさせないように捻じると、１ｍ当たり８５０～１１５０回程度まで回転させた非コイル状の捻り処理済みモノフィラメントを得ることができる。この回転数を超えてナイロン６，６のモノフィラメントを捻じると、コイル化が生じ、又は破断してしまうおそれがある。また、フィラメントのヤング率の１×１０^－２倍を超えた引張応力を加えた場合には、スナール（巻き瘤）が生じたり、フィラメントが破断したりしやすい傾向がある。

【0019】

このように、ガラス転移温度が２５℃よりも高い高分子から構成される繊維を、その高分子のガラス転移温度以下の温度環境下（たとえば、２５℃）で適度な引張応力を加えて捻じると、その温度（２５℃）においてコイル化が生じる直前の状態まで捻じられた非コイル状の捻り処理済みモノフィラメントを得ることができる。

【0020】

また、２５℃よりも高い温度、例えば、捻ろうとする未処理の繊維状高分子材料を構成する高分子のガラス転移温度よりも高い温度で捻った場合には、より多くの回転数まで回転させても、コイル化や繊維状高分子材料の破断を生じさせずに捻ることができる場合がある。

【0021】

繊維状高分子材料１０のガラス転移温度以下の温度環境下で捻じりを加えた繊維状高分子材料１０において、捻じりが元に戻る作用を抑制するために、その高分子のガラス転移温度以上の環境に一定期間置くなどの、残存応力緩和処理を行うことが好ましい。
なお、上記では、繊維状高分子材料１０として、捻り処理済みモノフィラメントの取得について例示したが、繊維状高分子材料１０は、捻り処理済みマルチフィラメントであってもよい。

【0022】

後述する実施例に示すように、室温（２５℃）において、この繊維状高分子材料１０である、捻り処理済みモノフィラメント（ナイロン６，６）に対して、上記式（１）の関係を有するよう３０ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の引張応力Ｔで固定することで、室温（２５℃）から８０℃までの広い温度範囲の環境下で安定した回転駆動性を保持ことができ、耐熱性が付与されたアクチュエータが得られる。ナイロン６，６の捻り処理済みモノフィラメントを繊維状高分子材料とし、式（１）の関係を有する高分子アクチュエータは、室温における駆動性の安定を損なうことなく、８０℃の高温環境下での安定した駆動性を発揮する。

【0023】

また、繊維状高分子材料１０の繊維軸方向のヤング率Ｅに対して引張応力Ｔが高い場合には、アクチュエータの出力（例えば、仕事率Ｗｒ）が低下する傾向がある。引張応力Ｔは、０．０２３×Ｅ以下であり、０．０２２×Ｅ以下であることが好ましく、０．０２１×Ｅ以下であることがより好ましく、０．０２０×Ｅ以下であることが特に好ましい。

【0024】

また、繊維状高分子材料１０の繊維軸方向のヤング率Ｅに対して引張応力Ｔが低い場合には、アクチュエータの駆動安定性が低下する傾向がある。引張応力Ｔは、０．０１１×Ｅ以上であり、０．０１２×Ｅ以上であることが好ましく、０．０１３×Ｅ以上であることがより好ましい。

【0025】

上記の捻られた（捻り処理済み）繊維状高分子材料は、繊維状高分子材料を構成する高分子が、前記繊維状高分子材料の繊維軸と非平行の規則的な高分子配向を有するものを含むものであってよい。繊維状高分子材料は、高分子鎖が配向することにより、繊維軸方向とその垂直方向とで、構造及び物性において高い異方性を示すことが一般に知られている。これは繊維軸方向と平行に高分子鎖が配向し、結晶構造を形成しやすいことに起因する。繊維状高分子材料を構成する高分子は、繊維状高分子材料の繊維軸と非平行の規則的な高分子配向を有するものを含むことが好ましい。繊維状高分子材料を構成する高分子が、繊維軸と非平行の規則的な高分子配向をするものを含んでいることは、繊維状高分子材料に回転駆動する機能を付与する一手段である。繊維状高分子材料に捻りを加えることで、繊維状高分子材料を構成する高分子が繊維軸に斜行して規則的に配向した状態とでき、必要によりアニールを行うことで、上記状態を固定できる。
繊維状高分子材料を構成する高分子が、繊維軸と非平行の規則的な配向をするものを含んでいることは、繊維状高分子材料の小角Ｘ線散乱分析および広角Ｘ線回折分析により特定することができる。

【0026】

実施形態のアクチュエータは、所定のガラス転移温度（Ｔｇ）を有する繊維状高分子材料が駆動源とした場合に、ガラス転移温度（Ｔｇ）近辺の温度で好適に駆動させることができ、かつ、式（１）の関係を有するので、ガラス転移温度（Ｔｇ）近辺の温度を含む広い温度環境下で優れた駆動安定性を発揮する。したがって、例えば、ガラス転移温度（Ｔｇ）が４５℃のナイロン６や、４７℃のナイロン６，６を繊維状高分子材料とすることにより、室温付近における駆動性を損なうことなく、約８０℃の高温環境下での駆動安定性に優れたアクチュエータとすることができる。

【0027】

繊維状高分子材料を構成する高分子の種類としては、高分子の結晶化を促進する観点から、線形の高分子が好ましい。ここで、線形の高分子とは、主鎖に環状構造を含まないものをいう。線形の高分子としては、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ナイロン６、ナイロン６，６等のナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等のフッ素樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等のうち、主鎖に環状構造を持たないものが挙げられる。
なお、繊維状高分子材料とは、高分子材料からなる繊維であってよい。
実施形態のアクチュエータにおいて、繊維状高分子材料を構成する高分子のガラス転移温度（Ｔｇ）は、２５℃よりも高いものが好ましく、高分子のガラス転移温度（Ｔｇ）は４０℃以上であることが好ましい。また、高分子のガラス転移温度（Ｔｇ）の上限としては、１６０℃以下であることが好ましく、９０℃以下であることがより好ましく、６０℃以下であることがさらに好ましい。例えば、高分子の種類としては、ナイロン６（Ｔｇ：４５℃）、ナイロン６，６（Ｔｇ：４７℃）等のナイロン、ポリメチルメタクリレート（Ｔｇ：１００℃）等のアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート（Ｔｇ：８０℃）等のポリエステル樹脂、ポリカーボネート（Ｔｇ：１４５℃）、ポリ塩化ビニル（Ｔｇ：８２℃）、ポリカーボネート（Ｔｇ：１５０℃）、ポリエーテルエーテルケトン（Ｔｇ：１４３℃）等が挙げられる。また、ガラス転移温度（Ｔｇ）が２５℃以下の高分子の種類としては、ポリエチレン（Ｔｇ：－１２０℃）、ポリプロピレン（Ｔｇ：－２０℃）等が挙げられる。

【0028】

実施形態のアクチュエータにおいて、例えば、ガラス転移温度（Ｔｇ）が４７℃のナイロン６，６を繊維状高分子材料とするアクチュエータであれば、室温付近における駆動性を損なうことなく、かつ、約８０℃の高温環境下を含む広い温度範囲において、駆動安定性に優れたアクチュエータとすることができる。例えば、ガラス転移温度（Ｔｇ）が－１２０℃のポリエチレンを繊維状高分子材料とするアクチュエータであれば、－１２０℃付近を含む広い温度範囲において、駆動安定性に優れたアクチュエータとすることができる。例えば、ガラス転移温度（Ｔｇ）が１４３℃のポリエーテルエーテルケトンを繊維状高分子材料とすることにより、１４３℃付近を含む広い温度範囲において、駆動安定性に優れたアクチュエータとすることができる。

【0029】

実施形態のアクチュエータは、このように、繊維状高分子材料のガラス転移温度（Ｔｇ）を含む、Ｔｇ±４０℃の広い温度範囲において、駆動安定性に優れたアクチュエータとすることができる。アクチュエータの使用環境を考慮して、アクチュエータの駆動の安定が高まる蓋然性の高い温度範囲に、室温が含まれ、汎用性に優れたものとなるという観点から、繊維状高分子材料のガラス転移温度（Ｔｇ）は、２５℃を超え、６０℃以下であることが特に好ましい。

【0030】

繊維状高分子材料を構成する高分子は結晶性であることが好ましい。繊維状高分子材料における高分子の結晶化度は、５０％以上であることが好ましく５５％～９０％であることがさらに好ましい。結晶化度がこのような範囲にあることで、分子配向の異方性が高く、アクチュエータとしての効果に優れるものとすることが容易となる。

【0031】

実施形態のアクチュエータにおいて、繊維状高分子材料は、モノフィラメントファイバーを含むものであってよく、モノフィラメントファイバーからなるものであってもよく、マルチフィラメントファイバーを含むものであってもよく、マルチフィラメントファイバーからなるものであってもよい。
繊維状高分子材料は、捻りが加えられたモノフィラメントファイバーであってもよく、コイル化が生じる直前まで、すなわちコブが生じる直前まで捻りが加えられたモノフィラメントファイバーであってもよい。

【0032】

実施形態のアクチュエータは、繊維状高分子材料１０の両端を固定する固定手段２０，２１を備える。固定手段２０，２１は、繊維状高分子材料１０の両端を所定の引張応力Ｔで固定できるものであれば制限されない。繊維状高分子材料１０の長さを一定に固定できる単なるチャック（すなわち、固定治具）であってもよく、引張応力Ｔを調整することのできるバネを備えた固定手段であってもよい。

【0033】

実施形態のアクチュエータにおいて、繊維状高分子材料１０は、加熱により繊維軸を中心とした回転駆動をするものである。実施形態のアクチュエータは加熱手段を備えるものであってもよく、加熱手段を備えずに、外部の環境温度に反応して繊維軸を中心とした回転駆動をするものであってもよい。

【0034】

実施形態のアクチュエータが備える加熱手段としては、繊維状高分子材料に直接に接する導電体であることが好ましい。加熱手段は、繊維状高分子材料に螺旋状に所定の隙間を設けて巻かれた線状導電体であることが好ましい。導電体に電圧を印加することで、繊維状高分子材料を加熱できる。
図２は、直径Ｄ_１０の繊維状高分子材料１０に、直径Ｄ_１１の線状導電体１１が螺旋状に所定の隙間間隔Ｉを設けて巻かれている例を示す概略図である。

【0035】

線状導電体１１としては、金属ワイヤやカーボンナノチューブの糸が挙げられる。好ましい金属ワイヤとしては、タングステンワイヤ、ステンレスワイヤ、銅ワイヤ等が挙げられる。

【0036】

繊維状高分子材料１０の直径Ｄ_１０は、０．０１ｍｍ＜Ｄ_１０≦４０ｍｍであってもよく、０．０５ｍｍ＜Ｄ_１０≦１０ｍｍであってもよく、０．１ｍｍ＜Ｄ_１０≦１ｍｍであってもよい。

【0037】

また、繊維状高分子材料１０及び線状導電体１１の断面は、円形であるものを前提にして説明しているが、略円形のものであってもよく、略楕円形のものであってもよく、偏平な形状であってもよい。そのとき、その略円形、略楕円形又は偏平な形状の長径は、円形の直径Ｄ_１１又はＤ_１０に置き換えて（すなわち、ヘイウッド径換算して）理解することができる。

【0038】

アクチュエータ１の長さあたりの電気抵抗を好適な範囲とするため、繊維状高分子材料１０の直径Ｄ_１０、線状導電体１１の直径Ｄ_１１、及び線状導電体１１のピッチ（Ｉ＋Ｄ_１１）を適宜設計することができる。繊維状高分子材料１０の直径Ｄ_１０が、例えば、０．１ｍｍ＜Ｄ_１０≦１ｍｍであるとき、線状導電体１１の直径Ｄ_１１は、１μｍ≦Ｄ_１１≦１０００μｍが好ましく、５μｍ≦Ｄ_１１≦５００μｍがより好ましく、１０μｍ≦Ｄ_１１≦１００μｍが特に好ましい。

【0039】

繊維状高分子材料１０の直径Ｄ_１０と、線状導電体１１の直径Ｄ_１１との関係は、０．００１≦Ｄ_１１／Ｄ_１０＜２が好ましく、０．００５≦Ｄ_１１／Ｄ_１０≦１．０がより好ましく、０．０１≦Ｄ_１１／Ｄ_１０≦０．５が特に好ましい。

【0040】

線状導電体１１の直径Ｄ_１１と、線状導電体１１の導電体間距離Ｉとの関係は、０．０１≦Ｉ／Ｄ_１１≦１０が好ましく、０．０５≦Ｉ／Ｄ_１１≦５がより好ましく、０．１≦Ｉ／Ｄ_１１≦３が特に好ましい。

【0041】

線状導電体１１と繊維状高分子材料１０との成す角度θは、０°＜θ≦９０°であり、３０°≦θ≦９０°が好ましく、４５°≦θ≦７５°がより好ましい。

【0042】

線状導電体１１は繊維状高分子材料１０に固定されていることが好ましい。繊維状高分子材料１０に線状導電体１１が螺旋状に巻かれ、接着固定されていることが好ましい。線状導電体１１が巻き付けられた繊維状高分子材料１０の表面に、接着剤を塗布し、乾燥・硬化させて線状導電体１１を繊維状高分子材料の表面１０上に固定してもよく、繊維状高分子材料１０の表面に、予め接着剤を塗布し、その後、繊維状高分子材料１０の表面の接着剤層の上に線状導電体１１を巻き付けて、乾燥・硬化させて線状導電体１１を繊維状高分子材料１０の表面上に固定してもよい。

【0043】

繊維状高分子材料１０に線状導電体１１が螺旋状に巻かれ、接着固定されている態様は、線状導電体１１が接着剤の樹脂硬化物に完全に被覆されていてもよく、線状導電体１１の螺旋構造の隣接する隙間に接着剤の樹脂硬化物が充填され、線状導電体１１の一部が露出されていてもよい。

【0044】

繊維状高分子材料１０に線状導電体１１が螺旋状に巻かれ、接着固定されていることにより、線状導電体１１の、繊維状高分子材料１０の表面上の固定位置がずれることを防止しやすい。

【0045】

本発明のアクチュエータの製造方法の一例を図３で説明する。初めに、捻り処理済みモノフィラメントの繊維状高分子材料１０の一端を、固定手段２０で止めた後、繊維状高分子材料１０の他端に錘４０を下げる。あらかじめこの捻り処理済みモノフィラメントのヤング率Ｅを測定しておけば、錘４０の重量を調整することで、式（１）の関係を有するように、引張応力Ｔを調整することができる。更に、固定手段２１で繊維状高分子材料１０を止めることにより、繊維状高分子材料１０と、繊維状高分子材料１０の両端を固定する固定手段２０，２１とを備え、繊維状高分子材料１０の両端が、固定手段２０、２１により固定され、式（１）の関係を有するアクチュエータとすることができる。

【0046】

また、例えば、固定手段２０，２１で固定された繊維状高分子材料１０の中央に、ステンレス板などの動力伝達手段３０を設け、そのステンレス板の一端又は両端に運動を与えるべき対象を接続することで、アクチュエータが動力源として機能する。この構造においては、繊維状高分子材料１０のうち、固定手段２０，２１間の範囲の固定手段２０側の半分の部分を加熱することにより、動力伝達手段３０に対して、繊維状高分子材料１０の繊維軸を中心とした回転駆動を与えることができる。また、繊維状高分子材料１０のうち、上記範囲の固定手段２１側の半分の部分を加熱することで、動力伝達手段３０に対して、繊維状高分子材料１０の繊維軸を中心とした逆の回転駆動を与えることができる。

【実施例】

【0047】

以下、具体的実施例により、本発明についてより詳細に説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に、何ら限定されるものではない。

【0048】

［繊維状高分子材料のヤング率評価］
実施例および比較例で得られた捻り処理済みモノフィラメント（直径０．５ｍｍ、捻り回数５００回／ｍ）１５ｃｍを採取し、恒温槽付引っ張り試験機（ＩＮＳＴＲＯＮ社製引張試験機５５８１）に試験長１０ｃｍにて取り付けた。恒温槽を２５℃、４０℃および８０℃にそれぞれ保ち、フィラメントを取り付けてから５分以上静置してから引っ張り試験を行った。引っ張り速度は１０ｍｍ／分で行い、得られた応力－歪み曲線の直線領域からヤング率を算出した。

【0049】

［アクチュエータの動作安定性評価］
実施例および比較例で得られた加熱応答型アクチュエータにおける細線付きモノフィラメントの中央（端部より４ｃｍの部分）に、動力伝達手段としての幅４ｍｍ×長さ４ｃｍ×厚み１ｍｍのステンレス板２枚を固定した（図１参照。）。このステンレス板の合計の重量は６ｇであった。２５℃の環境下で、細線付きモノフィラメントの一方の端部の固定部分から中央の板までの半分の長さの部分に対し、５Ｖの直流電圧を印加して回転運動を起こして中央のステンレス板を回転させた。ステンレス板の水平状態を初期の角度としたときに＋２０度回転した時点で直流電源を切り、直後にもう一方の細線付きモノフィラメントの端部固定部分から中央のステンレス板までの半分の長さの部分に同様に５Ｖの直流電圧を印加し、先とは反対方向の回転を、ステンレス板が－２０度に達するまで継続した。同様の操作を６０回繰り返し、それぞれの回転方向での運動を起こしていた時間（「半周期時間」）ｔを周期ごとに計測して、半周期時間ｔの相対標準偏差（ＲＳＤ）を算出することにより比較・評価した。同様の動作試験を４０℃および８０℃にて行い、各温度条件ごとに半周期時間ｔの相対標準偏差（ＲＳＤ）を算出した。相対標準偏差（ＲＳＤ）について、５％を下回ったものを「良い」、上回ったものを「悪い」と評価した。

【0050】

［アクチュエータの仕事率の測定］
図４及び図５を用いて、アクチュエータの仕事率の測定方法を説明する。動力伝達手段３０である長さ４０ｍｍ、幅７ｍｍ、厚さ１ｍｍ、重さ２ｇのステンレス板を、実施例および比較例で得られたアクチュエータの繊維状高分子材料１０である細線付きフィラメントの中点に、細線付きフィラメントに対して直角に交わるように取り付けた。この測定用アクチュエータを、図４に示すように、細線付きフィラメントおよびステンレス板がいずれも水平になるように、設置治具７０，７１に設置し、動力伝達手段３０であるステンレス板の両端に、重さが無視できるほどに細い、直径０．１ｍｍのナイロン糸５０，５１を接着した。次いで、ステンレス板のそれぞれの両端の上方に、図４に示すように滑車６１と角度計付き滑車６０を設置した。滑車６１および角度計付き滑車６０の位置は、ナイロン糸５０，５１が垂直に伸びて、滑車６１および角度計付き滑車６０との接点に至る位置である。滑車６１および角度計付き滑車６０の直径はいずれも１０ｍｍであった。そして、角度計付き滑車６０から垂れ下がる、ナイロン糸５０のうちステンレス板と接続されていない側の先端には、角度計付き滑車６０との接点から下方１５ｃｍの位置に７ｇの錘４１を取り付けた。他方、角度計のない滑車６１から垂れ下がるナイロン糸５１のうち、ステンレス板と接続されていない側の先端には、５ｇの錘４２を取り付けた。

【0051】

次に、２５℃の環境下で、設置治具７０，７１を外して、繊維状高分子材料１０である細線付きモノフィラメントの一方の端部の固定部分から中央の動力伝達手段３０であるステンレス板までの半分の長さの部分に対し、１２Ｖの直流電圧を２秒間印加すると、図５（ａ）に示すように、細線付きモノフィラメントが回転駆動して７ｇの錘４１が吊り降りた。続いて、細線付きモノフィラメントの反対側の半分の長さの部分に対して１２Ｖの直流電圧を２秒間印加すると、図５（ｂ）に示すように、細線付きモノフィラメントが回転駆動して７ｇの錘４１が吊り上がった。これを１サイクルとし、両側の錘の重量の差である２ｇを持ち上げる仕事を５０サイクル繰り返させた。この１サイクルにおける、重量差２ｇを持ち上げる２秒間の錘の移動量ｄ（ｍｍ）を角度計の角度から計算し、その値を用いて下記式（２）から仕事率Ｗｒを計算し、５０サイクルの平均を求めた。
Ｗｒ（μＪ／秒）
＝２（ｇ）÷１０００×９．８×ｄ（ｍｍ）÷１０００×１０^６÷２（秒）
＝９．８×ｄ（μＪ／秒） ・・・（２）

【0052】

［実施例１］
直径０．５ｍｍのナイロン６，６（Ｔｇ：４７℃）からなるモノフィラメント（東レモノフィラメント社製）を、荷重４００ｇおよび捻り回数５００回／ｍの条件で捻り、１８０℃で４０分間の条件でアニーリングを行い、捻り処理済みモノフィラメントを得た。この捻り処理済みモノフィラメントのヤング率を、上記の評価法により測定したところ、２５℃のヤング率は２．２７ＧＰａであった。なお、捻じる前の、ナイロン６，６のモノフィラメントの２５℃のヤング率は３．０２ＧＰａ、捻った後の、４０℃のヤング率Ｅは１．４３ＧＰａ、８０℃のヤング率Ｅは０．９５ＧＰａであった。

【0053】

次に、捻り処理済みモノフィラメントの周りに、直径０．０３ｍｍのタングステン細線を巻き付けて加熱手段とした。タングステン細線の巻き付けピッチ（一巻きの細線の細線一本分の幅と、その細線および隣り合う細線の間の距離との和）は０．１２ｍｍとした。
得られた細線付きフィラメント（すなわち、繊維状高分子材料１０）を採取し、一方の端部から５ｍｍの部分を、間隔を設けて２つのチャックを設けた治具の一方のチャック（すなわち、固定手段２０）に固定した（図３参照。）。そして、細線付きフィラメントの他方の端部は、もう一つのチャック（すなわち、固定手段２１）を通した上で、６００ｇの錘４０に接続し、この錘４０にかかる重力と等しい張力が細線付きフィラメントに印加されるようにした。そして、その状態で下方のチャック（すなわち、固定手段２１）を閉じ、固定することにより細線付きフィラメントを張力６００ｇｆ（６００ｇ÷１０００×９．８÷（（０．２５ｍｍ÷１０００）^２×π）÷１０^６≒３０ＭＰａ）にて固定した。細線付きフィラメントのチャック間に張られた部分の長さは７ｃｍであった。このようにして、動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータを得た。また、同様の手順で、細線付きフィラメントのチャック間に張られた部分の長さを１０ｃｍとして、仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータを得た。

【0054】

実施例１の仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータについて、上記の方法で仕事率の測定を行った結果を表１に示す。実施例１の動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータについて、２５℃、４０℃及び８０℃の各温度環境下で、上記の方法で動作安定性の評価を行った結果を図６及び表１に示す。

【0055】

［実施例２］
錘４０の質量を変更し、細線付きフィラメントを固定する張力を８００ｇｆ（約４０ＭＰａ）とした以外は、実施例１と同様にして、加熱応答型アクチュエータを得た。実施例２の仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータについて、上記の方法で仕事率の測定を行った結果を表１に示す。実施例２の動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータについて、２５℃、４０℃及び８０℃の各温度環境下で、上記の方法で動作安定性の評価を行った結果を表１に示す。

【0056】

［実施例３］
錘４０の質量を変更し、細線付きフィラメントを固定する張力を１０００ｇｆ（約５０ＭＰａ）とした以外は、実施例１と同様にして、加熱応答型アクチュエータを得た。実施例３の仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータについて、上記の方法で仕事率の測定を行った結果を表１に示す。実施例３の動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータについて、２５℃、４０℃及び８０℃の各温度環境下で、上記の方法で動作安定性の評価を行った結果を表１に示す。

【0057】

［比較例１］
錘４０の質量を変更し、細線付きフィラメントを固定する張力を４００ｇｆ（約２０ＭＰａ）とした以外は、実施例１と同様にして、加熱応答型アクチュエータを得た。比較例１の仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータについて、上記の方法で仕事率の測定を行った結果を表１に示す。比較例１の動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータについて、２５℃、４０℃及び８０℃の各温度環境下で、上記の方法で動作安定性の評価を行った結果を図７及び表１に示す。

【0058】

【表1】

【0059】

実施例１～３及び比較例１の、仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータは、いずれもが、９μＪ／ｓ以上の仕事率で機能していることが分かった。

【0060】

実施例１～３及び比較例１の、動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータについて、上記の方法で動作安定性の評価を行ったところ、２５℃及び４０℃の評価ではいずれも「良い」の判定であった。そして、実施例１～３の加熱応答型アクチュエータでは、８０℃の高温でも、動作安定性評価の判定は「良い」であったが、比較例１の加熱応答型アクチュエータでは、８０℃の高温では、動作安定性評価の判定は「悪い」結果であった。

【0061】

固定手段２０、２１により繊維状高分子材料１０を固定する際の引張応力Ｔを式（１）の条件とすることで、アクチュエータ１は、広い温度範囲の環境下での安定した駆動性を得ることができることが分かった。

【0062】

各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は各実施形態によって限定されることはなく、請求項（クレーム）の範囲によってのみ限定される。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明のアクチュエータは、加熱により繊維軸を中心とした回転駆動をするアクチュエータとして、様々な物品の動力化の用途において、使用することができる。

【符号の説明】

【0064】

１・・・アクチュエータ、１０・・・繊維状高分子材料、１１・・・線状導電体、２０，２１・・・固定手段、３０・・・動力伝達手段、４０，４１，４２・・・錘、５０，５１・・・ナイロン糸、６０・・・角度計付き滑車、６１・・滑車、７０，７１・・・設置治具、Ｉ・・・線状導電体の螺旋構造の隣接する線状導電体同士の隙間間隔、Ｄ_１０・・・繊維状高分子材料の直径、Ｄ_１１・・・線状導電体の直径、Ｔ・・・固定手段による繊維状高分子材料への引張応力、Ｅ・・・繊維状高分子材料のヤング率、ｄ・・・錘の移動量

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】