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(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】2024-12-10
(45)【発行日】2024-12-18
(54)【発明の名称】アクチュエータ
(51)【国際特許分類】
F03G 7/06 20060101AFI20241211BHJP
【ＦＩ】
F03G7/06 G
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021017563
(22)【出願日】2021-02-05
(65)【公開番号】P2021162014
(43)【公開日】2021-10-11
【審査請求日】2023-12-15
(31)【優先権主張番号】P 2020062859
(32)【優先日】2020-03-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(73)【特許権者】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京科学大学
(73)【特許権者】
【識別番号】504139662
【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構
(74)【代理人】
【識別番号】110001128
【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】櫻井 大地
(72)【発明者】
【氏名】鷲野 誠一郎
(72)【発明者】
【氏名】茶谷 章太
(72)【発明者】
【氏名】渡邊 晴彦
(72)【発明者】
【氏名】塩谷 正俊
(72)【発明者】
【氏名】木村 大輔
(72)【発明者】
【氏名】入澤 寿平
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼木 賢太郎
(72)【発明者】
【氏名】長谷川 貴
【審査官】津田 真吾
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－５５８７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２０／０５４６３３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】独国特許出願公開第１０２０１１１２１７４１（ＤＥ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０３Ｇ ７／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アクチュエータであって、収容部（１１、２４、４１）を囲む骨格構造を形成する骨格構造部（１２、２１、２２、４２）と、
前記収容部に収容された体積変化部（１３、２３、４３）とを有し、
前記体積変化部は、機械的エネルギー以外の外部エネルギーが外部から入力されることによって体積が増大し、
前記骨格構造部は、前記体積変化部よりもヤング率が高く、
前記外部エネルギーが前記体積変化部に入力されることによって、前記体積変化部の体積が増大するとともに、前記体積変化部の体積の増大によって、前記収容部が一方向（Ｄ２、Ｄ１１）で収縮し、前記収容部が前記一方向と異なる他方向（Ｄ３、Ｄ１２）で広がるように、前記骨格構造部が変形し、
前記アクチュエータは、繊維材料で構成され、前記外部エネルギーが入力されることによって、前記繊維材料の繊維軸方向（Ｄ１、Ｄ１１）の引張力を出力し、
前記一方向は、前記繊維軸方向に沿う方向であり、
前記収容部の形状は、前記一方向での前記収容部の最大幅（ＬＤ２）が、前記他方向での前記収容部の最大幅（ＬＤ３）よりも長い異方的な形状であり、
前記繊維材料は、高分子鎖が規則的に配列している複数の結晶部（２１）と、前記複数の結晶部のそれぞれを互いにつなぐように、高分子鎖が延びる複数のタイ分子（２２）と、高分子鎖が不規則に配列している複数の非晶部（２３）と、を有する高分子材料で少なくとも構成され、
前記複数のタイ分子は、前記一方向である第１方向（Ｄ２）に延びる複数の第１のタイ分子（２２１）と、前記第１方向に延びる複数の第２のタイ分子（２２２）とを含み、
前記複数の第１のタイ分子のそれぞれと、前記複数の第２のタイ分子のそれぞれとは、前記第１方向に直交する第２方向に交互に設けられ、
前記複数の第２のタイ分子のうち１つの第２のタイ分子と、前記複数の第１のタイ分子のうち前記１つの第２のタイ分子に対して前記第２方向の一方側の隣に位置する１つの第１のタイ分子（２２１ａ）との間に、第１空間（Ｂ１）が形成され、
前記１つの第２のタイ分子と、前記複数の第１のタイ分子のうち前記１つの第２のタイ分子に対して前記第２方向の他方側の隣に位置する１つの第１タイ分子（２２１ｂ）との間に、第２空間（Ｂ２）が形成され、
前記複数の結晶部は、前記第１空間に設けられる複数の第１結晶部（２１ａ）と、前記第２空間に設けられる複数の第２結晶部（２１ｂ）とを含み、
前記複数の非晶部は、前記第１空間に設けられる複数の第１非晶部（２３ａ）と、前記第２空間に設けられる複数の第２非晶部（２３ｂ）とを含み、
前記第１空間において、前記複数の第１結晶部のそれぞれと、前記複数の第１非晶部のそれぞれとは、前記第１方向に交互に設けられ、
前記第２空間において、前記複数の第２結晶部のそれぞれと、前記複数の第２非晶部のそれぞれとは、前記第１方向に交互に設けられ、
前記第１空間の前記複数の第１結晶部のうち１つの第１結晶部は、前記第２空間の前記複数の第２非晶部のうち１つの第２非晶部に対して、前記第２方向で対向するとともに、前記第２空間の前記複数の第２結晶部のうち１つの第２結晶部は、前記第１空間の前記複数の第１非晶部のうち１つの第１非晶部に対して、前記第２方向で対向し、
前記複数の非晶部のそれぞれの前記第１方向での長さは、前記複数の結晶部のそれぞれの前記第１方向での長さよりも長く、
前記体積変化部は、前記複数の非晶部のうちの１つの非晶部であり、
前記骨格構造部は、前記複数の結晶部および前記複数のタイ分子のうち前記１つの非晶部を囲む部分であり、
前記高分子材料の密度は、０ｇ／ｃｍ ３ より大きく、１．０３ｇ／ｃｍ ３ より小さい、アクチュエータ。
【請求項2】
前記高分子材料は、アミド結合を有する樹脂を含む、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項3】
前記樹脂は、ポリアミド１２である、請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項4】
アクチュエータであって、
収容部（１１、２４、４１）を囲む骨格構造を形成する骨格構造部（１２、２１、２２、４２）と、
前記収容部に収容された体積変化部（１３、２３、４３）とを有し、
前記体積変化部は、機械的エネルギー以外の外部エネルギーが外部から入力されることによって体積が増大し、
前記骨格構造部は、前記体積変化部よりもヤング率が高く、
前記外部エネルギーが前記体積変化部に入力されることによって、前記体積変化部の体積が増大するとともに、前記体積変化部の体積の増大によって、前記収容部が一方向（Ｄ２、Ｄ１１）で収縮し、前記収容部が前記一方向と異なる他方向（Ｄ３、Ｄ１２）で広がるように、前記骨格構造部が変形し、
前記アクチュエータは、繊維材料で構成され、前記外部エネルギーが入力されることによって、前記繊維材料の繊維軸方向（Ｄ１、Ｄ１１）の引張力を出力し、
前記一方向は、前記繊維軸方向に沿う方向であり、
前記骨格構造部は、１つ以上の繊維が組み合わされて前記収容部を囲む筒形構造をなすとともに、前記繊維軸方向よりも前記繊維軸方向に対して直交する幅方向（Ｄ１２）に伸縮しやすい構造をなす編組スリーブ（４２）であり、
前記体積変化部は、外形に制約が無い状態のときに、前記外部エネルギーとしての熱エネルギーが入力されることによって等方的に膨張する固体の高分子材料（４３）であり、
前記熱エネルギーが前記高分子材料に入力されることによって、前記高分子材料の体積が増大するとともに、前記体積変化部の体積の増大によって、前記収容部が前記繊維軸方向で収縮し、前記収容部が前記幅方向で広がるように、前記編組スリーブが変形し、
前記編組スリーブを構成する前記１つ以上の繊維は、通電によって発熱し、
前記繊維材料は、前記編組スリーブの前記幅方向の膨張を抑制する節部（４４）を有し、
前記節部は、前記編組スリーブの外形よりも細い形状であり、前記編組スリーブの周囲に環状またはらせん状に所定間隔で固定される、アクチュエータ。
【請求項5】
前記節部を構成する材料は、通電によって発熱する、請求項４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ものである。
【背景技術】
【0002】
機械的エネルギー以外の外部から入力された外部エネルギーを機械的エネルギーに変換して外部への力を出力する材料を用いたアクチュエータとして、高分子繊維材料を用いたアクチュエータが、特許文献１および非特許文献１に開示されている。このアクチュエータは、熱エネルギーの入力によって生じる高分子繊維材料の作動を利用したものである。特許文献１に開示のアクチュエータでは、ＰＡ６、ＰＡ６６の繊維材料が用いられている。非特許文献１に開示のアクチュエータでは、ＰＡ１１の繊維材料が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】米国特許第９７８４２４９号
【非特許文献】
【0004】
【文献】２０１７年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集、第１７１、第１７２頁、公益社団法人精密工学会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、従来のアクチュエータよりも高出力のアクチュエータが求められている。アクチュエータの高出力化、すなわち、外部への力を大きくするとともにアクチュエータ材料がより変形するようにするためには、外部エネルギーの入力によって生じるひずみが大きい性質と、ヤング率が高い性質との両方を有する材料を用いることが必要である。
【0006】
本発明は上記点に鑑みて、高出力化が可能な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】
【0007】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明によれば、
アクチュエータは、収容部（１１、２４、４１）を囲む骨格構造を形成する骨格構造部（１２、２１、２２、４２）と、収容部に収容された体積変化部（１３、２３、４３）とを有し、
体積変化部は、機械的エネルギー以外の外部エネルギーが外部から入力されることによって体積が増大し、
骨格構造部は、体積変化部よりもヤング率が高く、
外部エネルギーが体積変化部に入力されることによって、体積変化部の体積が増大するとともに、体積変化部の体積の増大によって、収容部が一方向（Ｄ２、Ｄ１１）で収縮し、収容部が他方向（Ｄ３、Ｄ１２）で広がるように、骨格構造部が変形し、
アクチュエータは、繊維材料で構成され、外部エネルギーが入力されることによって、繊維材料の繊維軸方向（Ｄ１、Ｄ１１）の引張力を出力し、
一方向は、繊維軸方向に沿う方向であり、
収容部の形状は、一方向での収容部の最大幅（ＬＤ２）が、他方向での収容部の最大幅（ＬＤ３）よりも長い異方的な形状であり、
繊維材料は、高分子鎖が規則的に配列している複数の結晶部（２１）と、複数の結晶部のそれぞれを互いにつなぐように、高分子鎖が延びる複数のタイ分子（２２）と、高分子鎖が不規則に配列している複数の非晶部（２３）と、を有する高分子材料で少なくとも構成され、
複数のタイ分子は、一方向である第１方向（Ｄ２）に延びる複数の第１のタイ分子（２２１）と、第１方向に延びる複数の第２のタイ分子（２２２）とを含み、
複数の第１のタイ分子のそれぞれと、複数の第２のタイ分子のそれぞれとは、第１方向に直交する第２方向に交互に設けられ、
複数の第２のタイ分子のうち１つの第２のタイ分子と、複数の第１のタイ分子のうち１つの第２のタイ分子に対して第２方向の一方側の隣に位置する１つの第１のタイ分子（２２１ａ）との間に、第１空間（Ｂ１）が形成され、
１つの第２のタイ分子と、複数の第１のタイ分子のうち１つの第２のタイ分子に対して第２方向の他方側の隣に位置する１つの第１タイ分子（２２１ｂ）との間に、第２空間（Ｂ２）が形成され、
複数の結晶部は、第１空間に設けられる複数の第１結晶部（２１ａ）と、第２空間に設けられる複数の第２結晶部（２１ｂ）とを含み、
複数の非晶部は、第１空間に設けられる複数の第１非晶部（２３ａ）と、第２空間に設けられる複数の第２非晶部（２３ｂ）とを含み、
第１空間において、複数の第１結晶部のそれぞれと、複数の第１非晶部のそれぞれとは、第１方向に交互に設けられ、
第２空間において、複数の第２結晶部のそれぞれと、複数の第２非晶部のそれぞれとは、第１方向に交互に設けられ、
第１空間の複数の第１結晶部のうち１つの第１結晶部は、第２空間の複数の第２非晶部のうち１つの第２非晶部に対して、第２方向で対向するとともに、第２空間の複数の第２結晶部のうち１つの第２結晶部は、第１空間の複数の第１非晶部のうち１つの第１非晶部に対して、第２方向で対向し、
複数の非晶部のそれぞれの第１方向での長さは、複数の結晶部のそれぞれの第１方向での長さよりも長く、
体積変化部は、複数の非晶部のうちの１つの非晶部であり、
骨格構造部は、複数の結晶部および複数のタイ分子のうち１つの非晶部を囲む部分であり、
高分子材料の密度は、０ｇ／ｃｍ ３ より大きく、１．０３ｇ／ｃｍ ３ より小さい。
また、請求項４に記載の発明によれば、アクチュエータは、
収容部（１１、２４、４１）を囲む骨格構造を形成する骨格構造部（１２、２１、２２、４２）と、
収容部に収容された体積変化部（１３、２３、４３）とを有し、
体積変化部は、機械的エネルギー以外の外部エネルギーが外部から入力されることによって体積が増大し、
骨格構造部は、体積変化部よりもヤング率が高く、
外部エネルギーが体積変化部に入力されることによって、体積変化部の体積が増大するとともに、体積変化部の体積の増大によって、収容部が一方向（Ｄ２、Ｄ１１）で収縮し、収容部が一方向と異なる他方向（Ｄ３、Ｄ１２）で広がるように、骨格構造部が変形し、
アクチュエータは、繊維材料で構成され、外部エネルギーが入力されることによって、繊維材料の繊維軸方向（Ｄ１、Ｄ１１）の引張力を出力し、
一方向は、繊維軸方向に沿う方向であり、
骨格構造部は、１つ以上の繊維が組み合わされて収容部を囲む筒形構造をなすとともに、繊維軸方向よりも繊維軸方向に対して直交する幅方向（Ｄ１２）に伸縮しやすい構造をなす編組スリーブ（４２）であり、
体積変化部は、外形に制約が無い状態のときに、外部エネルギーとしての熱エネルギーが入力されることによって等方的に膨張する固体の高分子材料（４３）であり、
熱エネルギーが高分子材料に入力されることによって、高分子材料の体積が増大するとともに、体積変化部の体積の増大によって、収容部が繊維軸方向で収縮し、収容部が幅方向で広がるように、編組スリーブが変形し、
編組スリーブを構成する１つ以上の繊維は、通電によって発熱し、
繊維材料は、編組スリーブの幅方向の膨張を抑制する節部（４４）を有し、
節部は、編組スリーブの外形よりも細い形状であり、編組スリーブの周囲に環状またはらせん状に所定間隔で固定される。
アクチュエータは、収容部（１１、２４、４１）を囲む骨格構造を形成する骨格構造部（１２、２１、２２、４２）と、収容部に収容された体積変化部（１３、２３、４３）とを有し、
体積変化部は、機械的エネルギー以外の外部エネルギーが外部から入力されることによって体積が増大し、
骨格構造部は、体積変化部よりもヤング率が高く、
外部エネルギーが体積変化部に入力されることによって、体積変化部の体積が増大するとともに、体積変化部の体積の増大によって、収容部が一方向（Ｄ２、Ｄ１１）で収縮し、収容部が他方向（Ｄ３、Ｄ１２）で広がるように、骨格構造部が変形し、
アクチュエータは、繊維材料で構成され、外部エネルギーが入力されることによって、繊維材料の繊維軸方向（Ｄ１、Ｄ１１）の引張力を出力し、
一方向は、繊維軸方向に沿う方向であり、
収容部の形状は、一方向での収容部の最大幅（ＬＤ２）が、他方向での収容部の最大幅（ＬＤ３）よりも長い異方的な形状であり、
繊維材料は、高分子鎖が規則的に配列している複数の結晶部（２１）と、複数の結晶部のそれぞれを互いにつなぐように、高分子鎖が延びる複数のタイ分子（２２）と、高分子鎖が不規則に配列している複数の非晶部（２３）と、を有する高分子材料で少なくとも構成され、
複数のタイ分子は、一方向である第１方向（Ｄ２）に延びる複数の第１のタイ分子（２２１）と、第１方向に延びる複数の第２のタイ分子（２２２）とを含み、
複数の第１のタイ分子のそれぞれと、複数の第２のタイ分子のそれぞれとは、第１方向に直交する第２方向に交互に設けられ、
複数の第２のタイ分子のうち１つの第２のタイ分子と、複数の第１のタイ分子のうち１つの第２のタイ分子に対して第２方向の一方側の隣に位置する１つの第１のタイ分子（２２１ａ）との間に、第１空間（Ｂ１）が形成され、
１つの第２のタイ分子と、複数の第１のタイ分子のうち１つの第２のタイ分子に対して第２方向の他方側の隣に位置する１つの第１タイ分子（２２１ｂ）との間に、第２空間（Ｂ２）が形成され、
複数の結晶部は、第１空間に設けられる複数の第１結晶部（２１ａ）と、第２空間に設けられる複数の第２結晶部（２１ｂ）とを含み、
複数の非晶部は、第１空間に設けられる複数の第１非晶部（２３ａ）と、第２空間に設けられる複数の第２非晶部（２３ｂ）とを含み、
第１空間において、複数の第１結晶部のそれぞれと、複数の第１非晶部のそれぞれとは、第１方向に交互に設けられ、
第２空間において、複数の第２結晶部のそれぞれと、複数の第２非晶部のそれぞれとは、第１方向に交互に設けられ、
第１空間の複数の第１結晶部のうち１つの第１結晶部は、第２空間の複数の第２非晶部のうち１つの第２非晶部に対して、第２方向で対向するとともに、第２空間の複数の第２結晶部のうち１つの第２結晶部は、第１空間の複数の第１非晶部のうち１つの第１非晶部に対して、第２方向で対向し、
複数の非晶部のそれぞれの第１方向での長さは、複数の結晶部のそれぞれの第１方向での長さよりも長く、
体積変化部は、複数の非晶部のうちの１つの非晶部であり、
骨格構造部は、複数の結晶部および複数のタイ分子のうち１つの非晶部を囲む部分であり、
高分子材料の密度は、０ｇ／ｃｍ ３ より大きく、１．０３ｇ／ｃｍ ３ より小さい。
また、請求項４に記載の発明によれば、アクチュエータは、
収容部（１１、２４、４１）を囲む骨格構造を形成する骨格構造部（１２、２１、２２、４２）と、
収容部に収容された体積変化部（１３、２３、４３）とを有し、
体積変化部は、機械的エネルギー以外の外部エネルギーが外部から入力されることによって体積が増大し、
骨格構造部は、体積変化部よりもヤング率が高く、
外部エネルギーが体積変化部に入力されることによって、体積変化部の体積が増大するとともに、体積変化部の体積の増大によって、収容部が一方向（Ｄ２、Ｄ１１）で収縮し、収容部が一方向と異なる他方向（Ｄ３、Ｄ１２）で広がるように、骨格構造部が変形し、
アクチュエータは、繊維材料で構成され、外部エネルギーが入力されることによって、繊維材料の繊維軸方向（Ｄ１、Ｄ１１）の引張力を出力し、
一方向は、繊維軸方向に沿う方向であり、
骨格構造部は、１つ以上の繊維が組み合わされて収容部を囲む筒形構造をなすとともに、繊維軸方向よりも繊維軸方向に対して直交する幅方向（Ｄ１２）に伸縮しやすい構造をなす編組スリーブ（４２）であり、
体積変化部は、外形に制約が無い状態のときに、外部エネルギーとしての熱エネルギーが入力されることによって等方的に膨張する固体の高分子材料（４３）であり、
熱エネルギーが高分子材料に入力されることによって、高分子材料の体積が増大するとともに、体積変化部の体積の増大によって、収容部が繊維軸方向で収縮し、収容部が幅方向で広がるように、編組スリーブが変形し、
編組スリーブを構成する１つ以上の繊維は、通電によって発熱し、
繊維材料は、編組スリーブの幅方向の膨張を抑制する節部（４４）を有し、
節部は、編組スリーブの外形よりも細い形状であり、編組スリーブの周囲に環状またはらせん状に所定間隔で固定される。
【0008】
これによれば、アクチュエータが、体積変化部を構成する材料のみで構成される場合と比較して、アクチュエータのヤング率を高くすることができる。
【0009】
また、これによれば、外部エネルギーが体積変化部に入力されることによって体積変化部の体積が増大するとともに、体積変化部の体積の増大によって、収容部が一方向で収縮し、収容部が他方向で広がるように、骨格構造部が変形する。これにより、アクチュエータが骨格構造部を構成する材料のみで構成される場合およびアクチュエータが体積変化部を構成する材料のみで構成される場合と比較して、外部エネルギーが入力されたときに生じるアクチュエータのひずみを大きくすることができる。
【0010】
このように、アクチュエータに対して、外部エネルギーの入力によって生じるひずみが大きい性質と、ヤング率が高い性質との両方を持たせることが可能となる。よって、アクチュエータの高出力化が可能となる。
【0011】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】第１実施形態におけるアクチュエータの模式図である。
【図3】ポリアミド系の繊維材料のバルク構造のモデルを示す図である。
【図5】ポリアミド系の繊維材料の単位構造のモデルを示す図であって、非晶部の体積変化による単位構造の形状変化を示す図である。
【図6】ＰＡ６の繊維材料に付与される張力の大きさと、ＰＡ６の繊維材料の線膨張係数との関係を示す図である。
【図7】ＰＡ６の結晶部、非晶部のそれぞれのヤング率と、ＰＡ６の繊維材料のヤング率とを示す図である。
【図8】ポリアミド系の繊維材料の単位構造のモデルを示す図である。
【図9】ＰＡ６における結晶化度と線膨張係数との関係を示す図である。
【図10】ＰＡ６の繊維材料の線膨張係数の計算結果と実測値とを示す図である。
【図11】ＰＡ１２の繊維材料の製造方法を示すフローチャートである。
【図12】ＰＡ１２の繊維材料の製造装置を示す模式図である。
【図13】同じ延伸倍率で製造したＰＡ１２、ＰＡ６、ＰＡ６６のそれぞれの繊維材料の収縮率の測定結果を示す図である。
【図14】第２実施形態における節部を有するアクチュエータの模式図である。
【図15】第２実施形態における節部を有していないアクチュエータの模式図である。
【図16】第２実施形態における節部を有するアクチュエータと、節部を有していないアクチュエータとのそれぞれにおいて、高分子材料の膨張率とアクチュエータの収縮率との関係を示す図である。
【図17】実施例におけるアクチュエータの製造方法を説明するための図である。
【図20】実施例における加熱前のアクチュエータの写真である。
【図21】実施例における加熱後のアクチュエータの写真である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【0014】
（第１実施形態）
図１に示すアクチュエータ１は、機械的エネルギー以外の外部から入力された外部エネルギーを機械的エネルギーに変換して出力する材料を用いたものである。具体的には、このアクチュエータ１は、繊維材料を用いたものであり、外部エネルギーの入力によって、繊維材料の繊維軸方向Ｄ１に収縮する。それにより外部に繊維軸方向Ｄ１の引張力を出力する。図１に示すアクチュエータ１は、直線状であるが、ストロークを大きくするために、コイル状であってもよい。
図１に示すアクチュエータ１は、機械的エネルギー以外の外部から入力された外部エネルギーを機械的エネルギーに変換して出力する材料を用いたものである。具体的には、このアクチュエータ１は、繊維材料を用いたものであり、外部エネルギーの入力によって、繊維材料の繊維軸方向Ｄ１に収縮する。それにより外部に繊維軸方向Ｄ１の引張力を出力する。図１に示すアクチュエータ１は、直線状であるが、ストロークを大きくするために、コイル状であってもよい。
【0015】
次に、本発明者らが見出したアクチュエータ１の材料設計について説明する。
【0016】
アクチュエータ１は、単位構造１０を複数有する材料で構成される。図２は、入力前後の単位構造の変化をモデル図として示したものである。図２の左側が入力前の状態を示している。図２の右側が入力後の状態を示している。図２の左側に示すように、単位構造１０は、１つの収容部１１を囲む骨格構造を形成する骨格構造部１２と、その１つの収容部１１に収容された体積変化部１３とを含む。すなわち、アクチュエータ１は、骨格構造部１２と、体積変化部１３とを有する。
【0017】
骨格構造部１２は、材料の強度に主として寄与する部分であり、材料の骨格をなす構造部である。骨格構造部１２のヤング率は、体積変化部１３のヤング率よりも高い。骨格構造部１２は、三次元構造である。骨格構造部１２は、パンタグラフ状に延びる。骨格構造部１２の伸びる方向の一部は、その方向と直交する方向に傾くようになっている。
【0018】
骨格構造部１２は、中空の殻構造、すなわち、収容部１１を完全に覆う密閉構造であることが好ましい。なお、骨格構造部１２は、密閉構造でなくてもよい。収容部１１に収容される体積変化部１３の体積増加時に、骨格構造部１２が大きい力を受けるほど、骨格構造部１２の一部がその力で押され傾くように変形することにより、後述する骨格構造部１２の変形量を大きくすることができる。
【0019】
また、単位構造において、骨格構造部１２を構成する部分は、化学的に結合して連続していることが好ましいが、化学的に結合していなくてもよい。アクチュエータ１を構成する材料では、複数の骨格構造部１２は、互いに三次元に連なっている。複数の骨格構造部１２のそれぞれは、互いに、化学的に結合して連続していることが好ましいが、化学的に結合していなくてもよい。
【0020】
体積変化部１３は、骨格構造部１２に囲まれている。体積変化部１３は、機械的エネルギー以外の外部エネルギーが外部から入力されることによって体積が増大する。外部エネルギーとしては、熱エネルギー、電気エネルギー、化学エネルギー、および、光エネルギーなどが挙げられる。例えば、熱エネルギーの入力とは、アクチェータの温度が高温にされることである。外部エネルギーの入力による体積増大量を同じ条件で比較したとき、体積変化部１３の体積増大量は、骨格構造部１２の体積増大量よりも大きい。
【0021】
収容部１１の形状は、各方向での収容部１１の最大幅の方向に異方性を持つ形状、すなわち、球以外の形状である。すなわち、収容部１１の形状は、一方向での収容部１１の最大幅ＬＤ２が、その一方向と異なる他方向での収容部１１の最大幅ＬＤ３よりも長い異方的な形状である。例えば、図２の左側に示すように、収容部１１の断面形状が長球形状の場合、長手方向Ｄ２が一方向に相当し、長手方向に垂直な短手方向Ｄ３が他方向に相当する。また、長手方向Ｄ２は、図１の繊維軸方向Ｄ１に沿う方向である。
【0022】
図２の左側に示すように、外部エネルギーが入力される前の状態は、骨格構造部１２の収容部１１に体積変化部１３が収容された状態であり、かつ、収容部１１の形状が球以外の異方的な形状である。体積変化部１３は、エネルギーが入力されたときに膨張する方向が短手方向Ｄ３になるように、あらかじめ配置されている。骨格構造部１２および体積変化部１３に外部エネルギーが入力されるとき、体積変化部１３が短手方向Ｄ３に膨張する。そして、体積変化部１３の方が、骨格構造部１２よりも、外部エネルギーの入力による体積変化量が大きい。よって、骨格構造部１２は、短手方向Ｄ３に押されて広がりつつ、長手方向Ｄ２に収縮する。
【0023】
このため、図２の右側に示すように、体積変化部１３の体積の増大によって、収容部１１の形状が球に近づく方向に、骨格構造部１２が変形する。すなわち、体積変化部１３の体積の増大によって、長手方向Ｄ２で収容部１１が収縮し、短手方向Ｄ３で収容部１１が広がるように、骨格構造部１２が変形する。換言すると、体積変化部１３は、繊維軸方向Ｄ１に対して直交する方向に膨張する。骨格構造部１２の一部は、体積変化部１３の膨張に伴って、体積変化部１３と協働して、繊維軸方向Ｄ１に対して直交する方向に移動する。骨格構造部１２の他の一部は、体積変化部１３を繊維軸方向Ｄ１に収縮させる方向に、移動する。このように、体積変化部１３は、等方的に膨張するのではなく、一方向で収縮し、他方向で膨張する。つまり、体積変化部１３の体積変化に異方性を持つことになる。
【0024】
ところで、アクチュエータ１の高出力化、例えば、アクチュエータ１がその外部に引張力を与える作用をする場合に、アクチュエータ１がより大きく収縮するようにするためには、外部エネルギーの入力によって生じるひずみが大きい性質と、ヤング率が高い性質との両方を有する材料を用いることが必要である。しかしながら、一般的に、ヤング率が高い材料は、ひずみが小さい。その一方で、ひずみが大きい材料は、ヤング率が低い。このため、従来では、両方の性質を有する材料が存在しなかった。
【0025】
これに対して、単位構造１０を有する材料をアクチュエータ１に用いることで、体積変化部１３を構成する材料のみでアクチュエータ１が構成される場合と比較して、アクチュエータ１のヤング率を高くすることができる。
【0026】
また、骨格構造部１２を構成する材料のみでアクチュエータ１が構成された場合、外部エネルギーが入力されたときの体積変化量が小さく、アクチュエータ１に生じるひずみ（すなわち、変形量）が小さい。また、体積変化部１３を構成する材料のみでアクチュエータ１が構成された場合、外部エネルギーが入力されたときに、等方的に膨張するため、アクチュエータ１に生じるひずみが小さい。
【0027】
これに対して、単位構造１０を有する材料では、外部エネルギーが体積変化部１３に入力されることによって体積変化部１３の体積が増大する。体積変化部１３の体積の増大によって、収容部１１が一方向で収縮し、収容部１１が他方向で広がるように、骨格構造部１２が変形する。これにより、アクチュエータ１が骨格構造部１２を構成する材料のみで構成される場合およびアクチュエータ１が体積変化部１３を構成する材料のみで構成される場合と比較して、外部エネルギーが入力されたときに生じるアクチュエータ１のひずみを大きくすることができる。
【0028】
このように、アクチュエータ１に対して、外部エネルギーの入力によって生じるひずみが大きい性質と、ヤング率が高い性質との両方を持たせることが可能となる。よって、アクチュエータ１の高出力化が可能となる。
【0029】
アクチュエータ１では、収容部１１の一方向での収縮作動をアクチュエータ１の出力に利用することができる。しかしながら、これに限らず、収容部１１の他方向での膨張作動をアクチュエータ１の出力に利用することもできる。
【0030】
次に、上記の材料設計を具現化したＰＡ１２（すなわち、ポリアミド１２）の繊維材料について説明する。この繊維材料は、後述の通り、ＰＡ１２の繊維材料の製造工程で、繊維が延伸されることで製造される。ＰＡ１２は、結晶部と非晶部とを有するポリアミド系の結晶性高分子材料である。なお、高分子材料とは、高分子有機化合物のことである。ポリアミド系の結晶性高分子材料には、ＰＡ１２の他に、ＰＡ６（すなわち、ポリアミド６）、ＰＡ６６（すなわち、ポリアミド６６）が含まれる。
【0031】
繊維の延伸によって製造されたポリアミド系の結晶性高分子材料で構成された繊維材料（以下、この繊維材料をポリアミド系の繊維材料と呼ぶ）は、図３に示すバルク構造２０を有する。
【0032】
具体的には、ポリアミド系の繊維材料は、図３に示すように、複数の結晶部２１と、複数のタイ分子２２と、複数の非晶部２３とを有する。複数の結晶部２１のそれぞれは、高分子鎖が規則的に配列している部分である。具体的には、複数の結晶部２１のそれぞれは、ラメラ晶の部分である。複数のタイ分子２２のそれぞれは、複数の結晶部２１のそれぞれを互いにつなぐように、高分子鎖が延びる部分である。複数の結晶部２１と複数のタイ分子２２とは、複数の収容部２４のそれぞれを囲む骨格構造を形成している。複数の非晶部２３のそれぞれは、高分子鎖が不規則に配列している部分である。複数の非晶部２３のそれぞれは、複数の収容部２４のそれぞれに収容されている。すなわち、複数の非晶部２３のそれぞれは、複数の結晶部２１と複数のタイ分子２２とに囲まれた部分に閉じ込められている。
【0033】
図３に示すバルク構造２０には、図４に示す単位構造２０Ａ、すなわち、結晶部２１、タイ分子２２、非晶部２３が含まれる。図４に示すように、複数の結晶部２１と、複数のタイ分子２２とは、１つの収容部２４を囲む骨格構造を形成している。その１つの収容部２４に、複数の非晶部２３のうち１つの非晶部２３が収容されている。したがって、複数の非晶部２３のうち１つの非晶部２３が、図２の単位構造１０の体積変化部１３に相当する。複数の結晶部２１および複数のタイ分子２２のうちその１つの体積変化部１３を囲む部分が、図２の単位構造１０の骨格構造部１２に相当する。
【0034】
【0035】
すなわち、図３に示すように、複数のタイ分子２２は、第１方向Ｄ２に延びる複数の第１のタイ分子２２１と、第１方向Ｄ２に延びる複数の第２のタイ分子２２２とを含む。複数の第１のタイ分子２２１のそれぞれと、複数の第２のタイ分子２２２のそれぞれとは、第２方向Ｄ３に交互に設けられている。
【0036】
複数の第２のタイ分子２２２のうち１つの第２のタイ分子２２２と、複数の第１のタイ分子２２１のうちその１つの第２のタイ分子２２２に対して第２方向Ｄ３の一方側の隣に位置する１つの第１のタイ分子２２１ａとの間に、第１空間Ｂ１が形成されている。また、その１つの第２のタイ分子２２２と、複数の第１のタイ分子２２１のうちその１つの第２のタイ分子２２２に対して第２方向Ｄ３の他方側の隣に位置する１つの第１タイ分子２２１ｂとの間に、第２空間Ｂ２が形成されている。
【0037】
複数の結晶部２１は、第１空間Ｂ１に設けられる複数の第１結晶部２１ａを含む。複数の非晶部２３は、第１空間Ｂ１に設けられる複数の第１非晶部２３ａを含む。複数の第１結晶部２１ａのそれぞれと、複数の第１非晶部２３ａのそれぞれとは、第１空間Ｂ１において、第１方向Ｄ２に交互に設けられている。
【0038】
また、複数の結晶部２１は、第２空間Ｂ２に設けられる複数の第２結晶部２１ｂを含む。複数の非晶部２３は、第２空間Ｂ２に設けられる複数の第２非晶部２３ｂを含む。複数の第２結晶部２１ｂのそれぞれと、複数の第２非晶部２３ｂのそれぞれとは、第２空間Ｂ２において、第１方向Ｄ２に交互に設けられている。
【0039】
第１空間Ｂ１の複数の第１結晶部２１ａのうち１つの第１結晶部２１ａは、第２空間Ｂ２の複数の第２非晶部２３ｂのうち１つの第２非晶部２３ｂに対して、第２方向Ｄ３で対向している。すなわち、１つの第１結晶部２１ａを１つの第２非晶部２３ｂに対して第２方向Ｄ３で投影したとき、投影した１つの第１結晶部２１ａは、１つの第２非晶部２３ｂに重なる。また、第２空間Ｂ２の複数の第２結晶部２１ｂのうち１つの第２結晶部２１ｂは、第１空間Ｂ１の複数の第１非晶部２３ａのうち１つの第１非晶部２３ａに対して、第２方向Ｄ３で対向している。すなわち、１つの第２結晶部２１ｂを１つの第１非晶部２３ａに対して第２方向Ｄ３で投影したとき、投影した１つの第２結晶部２１ｂは、１つの第１非晶部２３ａに重なる。
【0040】
このように、複数の第１結晶部２１ａのうち１つの第１結晶部２１ａの第１方向Ｄ２での位置と、複数の第２結晶部２１ｂのうち１つの第２結晶部２１ｂの第１方向Ｄ２での位置とは、異なっている。複数の第１非晶部２３ａのうち１つの第１非晶部２３ａの第１方向Ｄ２での位置と、複数の第２非晶部２３ｂのうち１つの第２非晶部２３ｂの第１方向Ｄ２での位置とは、異なっている。すなわち、第１空間Ｂ１の第１非晶部２３ａの第１方向Ｄ２での位置と同じ第２空間Ｂ２の位置には、第２結晶部２１ｂが設けられている。
【0041】
複数の非晶部２３のそれぞれの第１方向Ｄ２での長さは、複数の結晶部２１のそれぞれの第１方向Ｄ２での長さよりも長い。このため、複数のタイ分子２２のそれぞれは、複数の結晶部２１のうち第１方向Ｄ２での距離が最も短い位置関係にある第１結晶部２１ａと第２結晶部２１ｂとの間に位置する部分であって、その第１結晶部２１ａとその第２結晶部２１ｂとをつなぐ結晶連結部２２Ａを含む。結晶連結部２２Ａは、第２方向Ｄ３で第１非晶部２３ａと第２非晶部２３ｂとの両方に隣り合う。結晶連結部２２Ａは、第１方向Ｄ２に対して傾いているが、第１方向Ｄ２に平行であってもよい。
【0042】
非晶部２３の体積膨張時には、第２方向Ｄ３に膨張した非晶部２３の外周面が、タイ分子２２の内周面を膨張方向と同じ方向に押す。膨張方向は第２方向Ｄ３である。押されたタイ分子２２の変形に伴い、タイ分子２２とともに骨格構造を形成する結晶部２１が、非晶部２３を第１方向Ｄ２に押すことで、非晶部２３が第１方向Ｄ２で収縮するように、それぞれが配置されている。
【0043】
図４に示すように、タイ分子２２の延伸方向を含むようにバルク構造２０を切断した断面を見ると、１つの収容部２４の断面形状は、八角形である。１つの収容部２４において、第１方向Ｄ２での収容部２４の最大幅ＬＤ２は、第２方向Ｄ３での収容部２４の最大幅ＬＤ３よりも長い。第１方向Ｄ２は、１つの収容部２４の長手方向である。第１方向Ｄ２は、図２の収容部１１の一方向に相当する。第２方向Ｄ３は、１つの収容部２４の短手方向である。第２方向Ｄ３は、図２の収容部１１の他方向に相当する。
【0044】
非晶部２３は、ランダムに絡み合った高分子鎖で形成されている。この高分子鎖は、全体的には第１方向Ｄ２に延びている。すなわち、非晶部２３の高分子鎖の延伸方向は、繊維軸方向Ｄ１に沿っている。このため、複数の非晶部２３のそれぞれの全体の体積が増大すると、複数の非晶部２３のそれぞれが第１方向Ｄ２で収縮することで、バルク構造２０を有するアクチュエータ１が繊維軸方向Ｄ１に収縮する。
【0045】
アクチュエータ１が加熱されて、非晶部２３に熱エネルギーが入力されると、非晶部２３の全体の体積は増大する。アクチュエータ１が冷却されて、非晶部２３から熱エネルギーが放出されると、非晶部２３の全体の体積は減少する。すなわち、熱の入力と体積変化とは可逆的に行われる。
【0046】
アクチュエータ１が加熱により繊維軸方向Ｄ１に収縮することについて説明する。図５の左側は、非晶部２３の体積が小さいときの単位構造２０Ａを示している。すなわち、図５の左側は、アクチュエータ１が加熱されない状態での単位構造２０Ａを示している。この状態は、非晶部２３が体積膨張しない自然状態である。この状態においては、非晶部２３と接触するタイ分子２２は、膨張方向に移動するような力を受けない。そのため、タイ分子２２の角度φｔ１は小さい。ここで、図４に示すように、タイ分子２２の結晶連結部２２Ａの外側の辺の長さをＬとする。このときのタイ分子２２の結晶連結部２２Ａの第１方向Ｄ２の長さは、Ｌcosφｔ１である。
【0047】
図５の右側は、非晶部２３の体積が大きいときの単位構造２０Ａを示している。このときでは、非晶部２３の膨張に伴い、押されたタイ分子２２が変形することにより、タイ分子２２の角度φｔ２は大きい。このときのタイ分子２２の結晶連結部２２Ａの第１方向Ｄ２の長さは、Ｌcosφｔ２である。なお、タイ分子の角度φｔ１、φｔ２は、第１方向Ｄ２に対して結晶連結部２２Ａがなす角度である。
【0048】
非晶部２３の全体の体積が増大すると、単位構造２０Ａは、図５の左側の形状から図５の右側の形状に変化する。すると、タイ分子２２の結晶連結部２２Ａの第１方向Ｄ２の長さが、Lcosφｔ１からLcosφｔ２に減少する。すなわち、図５の右側に示すように、非晶部２３は、第１方向Ｄ２で収縮し、第２方向Ｄ３で膨張する。さらに換言すると、収容部２４が第１方向Ｄ２で収縮し、収容部２４が他方向で広がるように、結晶部２１とタイ分子２２とによって構成される骨格構造部が変形する。第１方向Ｄ２が一方向に相当し、第２方向Ｄ３が他の方向に相当する。このように、単位構造２０Ａによって、非晶部２３の体積変化に異方性が付与される。
【0049】
【0050】
一般的な結晶性高分子材料で構成された繊維材料は、結晶部と非晶部とが交互に連なった構造を持つことが、知られている。また、結晶性高分子材料で構成された繊維材料の熱収縮は、非晶部のエントロピー弾性によるものと、従来では一般的に考えられている。
【0051】
しかし、ポリアミド系の繊維材料では、エントロピー弾性に起因する現象が見られない場合がある。具体的には、図６に示すように、ポリアミド系の繊維材料への繊維軸方向の張力付与時に収縮量（すなわち、線膨張係数）が増大しないことと、図７に示すように、非晶部のヤング率と繊維材料のヤング率とが大きく異なることとが挙げられる。図６中の丸印が線膨張係数の実測値を示している。図６中の破線で示す直線がエントロピー弾性による予想線膨張係数を示している。図６の測定で用いた試料の直径は０．３７ｍｍである。
【0052】
ポリアミド系の繊維材料の収縮は、非晶部２３の体積変化に異方性が付与される図４に示す単位構造２０Ａにより引き起こされていると考えると、エントロピー弾性に起因する現象が見られないことを説明することができる。すなわち、図５に示すように、内包された非晶部２３の体積変化によりタイ分子２２の角度φｔ１、φｔ２が変化することで、バルク構造２０の体積変化に異方性が発現する。この場合、ポリアミド系の繊維材料の収縮は、エントロピー弾性でなく自由体積の膨張により引き起こされる。このため、図６に示すように、張力付与時の繊維材料の収縮量は、付与する張力の大きさを異ならせても変化しない。また、ポリアミド系の繊維材料のヤング率は、非晶部２３ではなくタイ分子２２のヤング率に依存する。このため、図７に示すように、ＰＡ６の繊維材料のヤング率は、結晶部２１のヤング率と非晶部２３のヤング率との間の値を示す。
【0053】
次に、ポリアミド系の繊維材料が単位構造２０Ａを有することの根拠について説明する。ポリアミド系の繊維材料が単位構造２０Ａを有することは、単位構造２０Ａの幾何学計算によるポリアミド系の繊維材料の線膨張係数の計算値が、ポリアミド系の繊維材料の線膨張係数の実測値と同じかそれに近いことから証明される。
【0054】
ポリアミド系の繊維材料の線膨張係数は、下記の数１、数２、数３に示す式を用いて算出される。数１、数２、数３の式は、単位構造２０Ａのモデルに基づいた解析により、導出されたものである。
【0055】
【数1】
【0056】
【数2】
【0057】
【数3】
【0058】
非晶部２３の線膨張係数αａは、図９に示すように、結晶化度と線膨張係数との関係から外挿することで求められる。図９には、結晶化度が異なるＰＡ６の線膨張係数の実測値がプロットされている。これらのプロットから結晶化度と線膨張係数との関係が求められる。この関係から結晶化度が０％のときの線膨張係数が算出される。算出されたＰＡ６の非晶部２３の線膨張係数は、２．０６４×１０－４／Ｋであった。
【0059】
タイ分子２２の角度φｔは、小角Ｘ線散乱による測定結果から求められる。ＰＡ６のタイ分子２２の角度φｔは、３０度以下であった。
【0060】
結晶部２１のアスペクト比は、広角Ｘ線散乱による測定結果から求められる。ＰＡ６の結晶部２１のアスペクト比は、１．８３であった。
【0061】
結晶化度Ｘｃは、ＤＳＣ（すなわち、示差走査熱量計）による測定結果から求められる。具体的には、下記に示す結晶化度の計算式と、融解熱量の測定値と、１００％結晶体の融解熱量とを用いて、結晶化度Ｘｃが求められる。１００％結晶体の融解熱量として、測定値または文献値が用いられる。
【0062】
結晶化度＝（融解熱量の測定値／１００％結晶体の融解熱量）×１００
ＰＡ６の融解熱量の測定値は、６０．９ｍＪ／ｍｇであった。TA Instrument社のデータによると、ＰＡ６の１００％結晶体の融解熱量は、２３０ｍＪ／ｍｇである。これらを用いて得られた結晶化度Ｘｃは、２６．５％であった。
ＰＡ６の融解熱量の測定値は、６０．９ｍＪ／ｍｇであった。TA Instrument社のデータによると、ＰＡ６の１００％結晶体の融解熱量は、２３０ｍＪ／ｍｇである。これらを用いて得られた結晶化度Ｘｃは、２６．５％であった。
【0063】
これらのパラメータの数値を用いて、ＰＡ６の線膨張係数を算出すると、図１０に示すように、実測値に近い値が得られた。図１０中の曲線は、タイ分子の角度φｔが３０度以下の範囲でのＰＡ６の線膨張係数の計算値を示している。図１０中の丸印は、ＰＡ６の繊維材料の線膨張係数の実測値を示している。この結果より、ポリアミド系の繊維材料の単位構造２０Ａは、正しい可能性が高いと言える。
【0064】
次に、本実施形態のＰＡ１２の繊維材料の製造方法について説明する。図１１に示すように、ＰＡ１２の繊維材料の製造方法は、紡糸工程Ｓ１と、延伸工程Ｓ２とを含む。
【0065】
紡糸工程Ｓ１では、図１２に示すように、押し出し機３１に、ポリアミド１２のペレットが導入される。押し出し機３１の内部で、このペレットは、融点以上に加熱される。加熱されて溶融した材料は、ノズルを通って押し出されて繊維状にされた後、冷却槽３２の冷却液で冷却されて固化される。このように、溶融紡糸によってポリアミド１２の未延伸状態の繊維が形成される。
【0066】
続いて、延伸工程Ｓ２では、図１２に示すように、未延伸状態の繊維は、ヒータ３３によって融点以下の適切な温度（例えば、１００℃前後）で加熱されながら、ローラ３４等によって延伸される。加熱条件やローラ３４の速度設定を適切にすることにより、このときの未延伸の状態に対する延伸倍率は、例えば、３倍、４倍または５倍とされる。この延伸工程によって、複数の収容部２４のそれぞれの形状に異方性が与えられる。複数の収容部２４のそれぞれの長手方向が、繊維軸方向Ｄ１に沿う方向となる。
【0067】
このようにして、延伸された状態のＰＡ１２の繊維材料が製造される。すなわち、単位構造２０Ａは、紡糸工程Ｓ１と、延伸工程Ｓ２とが行われることによって得られる。なお、延伸工程Ｓ２が行われない場合、未延伸状態の繊維は、図４に示す単位構造２０Ａを持たない場合がある。
【0068】
次に、延伸された状態のＰＡ１２の繊維材料と、延伸された状態のＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ６１０の繊維材料とを比較した実験結果について説明する。特許文献１に記載の通り、従来のアクチュエータとして、ＰＡ６、ＰＡ６６のそれぞれの繊維材料で構成されたものがある。したがって、ここで用いたＰＡ６、ＰＡ６６の繊維材料は、従来のアクチュエータに相当する。
【0069】
上記した製造方法によって、ＰＡ１２の繊維材料と、ＰＡ６の繊維材料と、ＰＡ６６の繊維材料とを製造した。ＰＡ１２の紡糸温度は、２１０℃である。ＰＡ６の紡糸温度は、２６０℃である。ＰＡ６６の紡糸温度は、２８５℃である。ＰＡ６、ＰＡ６６のそれぞれの最大延伸倍率は、４倍であった。そこで、延伸倍率を同じ４倍として、ＰＡ１２、ＰＡ６、ＰＡ６６のそれぞれの繊維材料を製造した。そして、製造した各繊維材料の収縮率を測定した。収縮率の測定では、各試料に張力を付与していない状態で、各試料を３０℃から１５０℃まで昇温させたときの各試料の収縮率を測定した。この測定結果を図１３に示す。
【0070】
図１３では、各繊維材料の収縮率と材料密度との関係が示されている。この材料密度は、真密度である。各繊維材料の材料密度は、ＪＩＳ Ｋ ７１１２に規定される測定方法によって測定される値である。図１３中の直線は、理論モデルによる収縮率の予測結果である。ＰＡ１２、ＰＡ６、ＰＡ６６のそれぞれの繊維材料のヤング率は、互いに近い値である。
【0071】
前述の単位構造２０Ａの理論モデルによれば、数１の式からわかるように、繊維材料の収縮量は、非晶部２３の線膨張係数αａに比例する。すなわち、非晶部２３の線膨張係数が大きいほど、繊維材料の収縮量は大きい。また、非晶部２３の膨張は、自由体積の膨張によるものである。このため、非晶部２３の線膨張係数αａは、非晶部２３の材料密度と相関がある。すなわち、非晶部２３の材料密度が小さいほど、非晶部２３の線膨張係数が大きい。よって、非晶部２３の材料密度が小さい材料を用いることで、繊維収縮量を大きくできる。なお、一般的に、ポリアミド系の繊維材料において、材料全体に対する非晶部２３の割合は、材料全体に対する結晶部２１の割合よりも大きい。このため、非晶部２３の材料密度と材料全体の材料密度との間には、相関がある。よって、材料密度が小さい繊維材料を用いることで、繊維収縮量を大きくすることができる。
【0072】
図１３の測定結果より、上記の理論通り、ＰＡ６、ＰＡ６６のそれぞれよりも材料密度が小さなＰＡ１２の繊維材料は、ＰＡ６、ＰＡ６６のそれぞれの繊維材料よりも大きな収縮率を示すことがわかる。よって、図１３中の直線に示すように、繊維材料の材料密度が低いほど、繊維材料の収縮率が大きくなるという関係があることがわかる。
【0073】
また、上記した非特許文献１に記載の通り、従来のアクチュエータとして、ＰＡ１１の繊維材料で構成されたものがある。ＰＡ１１の材料密度は、１．０３ｇ／ｃｍ３である。
ＰＡ１２の材料密度は、１．０１ｇ／ｃｍ３であり、ＰＡ１１の材料密度よりも小さい。上記の通り、繊維材料の材料密度が低いほど、繊維材料の収縮率が大きくなるという関係があることから、ＰＡ１２の繊維材料は、ＰＡ１１の繊維材料よりも大きな収縮率を示すことが推定される。
ＰＡ１２の材料密度は、１．０１ｇ／ｃｍ３であり、ＰＡ１１の材料密度よりも小さい。上記の通り、繊維材料の材料密度が低いほど、繊維材料の収縮率が大きくなるという関係があることから、ＰＡ１２の繊維材料は、ＰＡ１１の繊維材料よりも大きな収縮率を示すことが推定される。
【0074】
したがって、アクチュエータ１を、ＰＡ１２の繊維材料で構成することが良い。なお、ＰＡ１２の繊維材料でアクチュエータ１を構成する場合、ＰＡ１２の繊維材料に他の材料が含まれていてもいなくてもよい。
【0075】
上記した実施形態では、上記した材料設計を具現化した材料として、ＰＡ１２の繊維材料を説明した。しかしながら、上記した材料設計を具現化した材料は、ＰＡ１２以外のポリアミド樹脂で構成された繊維材料であってもよい。ポリアミド樹脂は、アミド結合を有する合成樹脂である。上記の通り、図１３中の直線に示すように、繊維材料の材料密度が低いほど、繊維材料の収縮率が大きくなるという関係があることが本発明者によって見出された。このため、ＰＡ１２以外のポリアミド樹脂で構成された繊維材料は、従来のアクチュエータに用いられるポリアミド樹脂の繊維材料よりも材料密度が小さければよい。ＰＡ６、ＰＡ６６およびＰＡ１１のそれぞれの材料密度を比較すると、ＰＡ１１の材料密度が最も小さい。したがって、アクチュエータ１を構成する繊維材料は、密度が０ｇ／ｃｍ３より大きく、１．０３ｇ／ｃｍ３より小さなポリアミド樹脂の繊維材料であればよい。これによれば、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ１１の繊維材料で構成された従来のアクチュエータと比較して、高出力化が可能となる。
【0076】
また、アクチュエータ１を構成する繊維材料は、ポリアミド樹脂の単一材料で構成される場合に限られない。アクチュエータ１を構成する繊維材料は、ポリアミド樹脂と、他の高分子材料とを含む高分子材料で構成されていてもよい。要するに、アクチュエータ１を構成する繊維材料は、ポリアミド樹脂を含む高分子材料で構成されていればよい。アクチュエータ１を構成する繊維材料が、ポリアミド樹脂と、他の高分子材料とを含む高分子材料で構成される場合、図４に示す単位構造２０Ａを有する高分子材料の密度が、上記した範囲を満たしていればよい。
【0077】
出願時において、材料密度が最小の熱可塑性樹脂として、ポリメチルペンテンが知られている。ポリメチルペンテンの密度は、０．８３ｇ／ｃｍ３である。このため、ポリアミド樹脂に対して、ポリメチルペンテンのように材料密度が小さな高分子材料を混合して、図４に示す単位構造２０Ａを有する高分子材料の密度を所望の大きさとしてもよい。この場合、混合された高分子材料の材料密度は、０．８３ｇ／ｃｍ３より大きい。なお、出願時に存在する高分子材料の最小密度が０．８３ｇ／ｃｍ３であることを考慮すると、アクチュエータ１を構成する繊維材料がポリアミド樹脂の単一材料で構成される場合において、製造される繊維材料の材料密度は、０．８３ｇ／ｃｍ３より大きいことが想定される。
【0078】
また、ポリアミド樹脂以外の高分子材料であって、図４に示す単位構造２０Ａを有する高分子材料で構成された繊維材料は、図１３中の直線に示すように、材料密度が低いほど、収縮率が大きくなるという関係を有すると考えられる。したがって、アクチュエータ１を構成する繊維材料は、図４に示す単位構造２０Ａを有していれば、ポリアミド樹脂以外の熱可塑性の結晶性もしくは半結晶性の高分子材料で少なくとも構成されていればよい。なお、結晶性もしくは半結晶性の高分子材料は、結晶部を有する高分子材料である。また、アクチュエータ１を構成する繊維材料に、高分子材料以外の材料が含まれてもよい。また、上記した材料設計を具現化した材料の形状は、繊維でなくてもよく、フィルム等の繊維以外の形状であってもよい。
【0079】
（第２実施形態）
図１４（ａ）は、加熱前の本実施形態のアクチュエータ１Ａの側面図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のアクチュエータ１Ａの上面図である。図１４（ｃ）は、加熱後の本実施形態のアクチュエータ１Ａの側面図である。
図１４（ａ）は、加熱前の本実施形態のアクチュエータ１Ａの側面図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のアクチュエータ１Ａの上面図である。図１４（ｃ）は、加熱後の本実施形態のアクチュエータ１Ａの側面図である。
【0080】
図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、本実施形態のアクチュエータ１Ａは、繊維形状である。すなわち、アクチュエータ１Ａは、繊維材料で構成され、外部エネルギーとしての熱エネルギーの入力によって、繊維材料の繊維軸方向Ｄ１１に収縮する。それにより外部に繊維軸方向Ｄ１１の引張力を出力する。
【0081】
アクチュエータ１Ａを構成する繊維材料は、編組スリーブ４２と、高分子材料４３と、節部４４とを含む。編組スリーブ４２は、図２中の骨格構造部１２に相当する。高分子材料４３は、図２中の体積変化部１３に相当する。
【0082】
編組スリーブ４２は、１つ以上の繊維が組み合わされて収容部４１を囲む筒形構造をなすとともに、繊維軸方向Ｄ１１よりも繊維軸方向Ｄ１１に対して直交する幅方向Ｄ１２に伸縮しやすい構造をなしている。円筒形状の編組スリーブ４２では、幅方向Ｄ１２は編組スリーブ４２の径方向である。編組スリーブ４２の収容部４１は、骨格構造部１２の収容部１１に相当する。図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、編組スリーブ４２は、円筒形状であるが、円筒形状でなくてもよい。編組スリーブ４２を構成する繊維としては、炭素繊維、金属繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、高分子繊維等が挙げられる。
【0083】
より具体的には、編組スリーブ４２は、繊維軸方向Ｄ１１に沿って延びる複数の繊維４２１が互いに間を空けて束ねられた構成である。複数の繊維４２１の繊維同士の間隔は、内包する高分子材料４３が編組スリーブ４２から流出しない大きさであればよい。複数の繊維４２１のそれぞれの両端において、複数の繊維４２１のそれぞれと高分子材料４３とが、固定部材４５によって固定されている。
【0084】
編組スリーブ４２に対して繊維軸方向Ｄ１１での引張応力が加わっても、編組スリーブ４２を構成する複数の繊維４２１は伸びない、または、伸びにくい。また、編組スリーブ４２に対して幅方向Ｄ１２での引張応力が加わると、編組スリーブ４２を構成する複数の繊維４２１が曲がる。これにより、繊維軸方向Ｄ１１よりも幅方向Ｄ１２に伸縮しやすい構造が実現される。編組スリーブ４２は、図１４（ｂ）に示す基本形状に対して繊維軸方向Ｄ１１に伸びず、基本形状に対して幅方向Ｄ１２に伸びる構造であることが好ましい。
【0085】
編組スリーブ４２は、他の構成であってもよい。例えば、編組スリーブ４２は、複数の繊維が組み合わされて網状に編まれたものであってもよい。また、編組スリーブ４２は、一本の繊維が網状に編まれたものであってもよい。網状に編まれた構成の場合、編組スリーブ４２は、隙間を有する。隙間の大きさは、内包する高分子材料４３が編組スリーブ４２から流出しない大きさであればよい。また、繊維軸方向Ｄ１１よりも幅方向Ｄ１２に伸縮しやすい構造であれば、編組スリーブ４２は、網状に編まれていなくてもよい。
【0086】
高分子材料４３は、編組スリーブ４２の内部空間に収容されている。高分子材料４３は、その外形に制約が無い状態のときに、熱エネルギーが入力されることによって等方的に膨張する固体である。熱エネルギーの入力条件を同じとして比較したとき、高分子材料４３の体積増大量は、編組スリーブ４２を構成する繊維の体積増大量よりも大きい。すなわち、高分子材料４３は、編組スリーブ４２を構成する繊維よりも膨張率が大きい材料である。
【0087】
高分子材料４３としては、エラストマー（すなわち、弾性を持つ高分子材料）が用いられる。エラストマーには、ゴム、熱可塑性エラストマーが含まれる。ゴムとしては、シリコンゴム（例えば、ＰＤＭＳ）、天然ゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、ＮＢＲ等が挙げられる。熱可塑性エラストマーとしては、パラフィン、ＥＶＡ等が挙げられる。
【0088】
節部４４は、編組スリーブ４２の幅方向Ｄ１２の膨張を抑制する。節部４４は、編組スリーブ４２の外形よりも細い形状であり、糸形状の部材である。節部４４は、編組スリーブ４２の周囲に、環状またはらせん状に所定間隔で固定される。
【0089】
例えば、節部４４は、図１４（ａ）に示すように、複数の環状部で構成される。複数の環状部のそれぞれは、編組スリーブ４２の周囲を一周しており、繊維軸方向Ｄ１１で互いに間をあけて配置されている。または、節部４４は、編組スリーブ４２の周囲を一本の糸形状の部材がらせん状に所定間隔で巻きつけられた構成であってもよい。
【0090】
節部４４を構成する材料としては、炭素繊維、金属繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、高分子繊維等が挙げられる。節部４４を構成する材料は、一本でも複数本であってもよい。
【0091】
本実施形態のアクチュエータ１Ａでは、編組スリーブ４２を構成する繊維のヤング率は、高分子材料４３のヤング率よりも高い。このため、編組スリーブ４２のヤング率は、高分子材料４３のヤング率よりも高い。
【0092】
また、本実施形態のアクチュエータ１Ａでは、アクチュエータ１Ａが加熱され、熱エネルギーが高分子材料４３に入力されることによって、高分子材料４３の体積が増大する。このとき、高分子材料４３の体積の増大によって、図１４（ａ）、（ｃ）を比較してわかるように、編組スリーブ４２が幅方向Ｄ１２で広がり、編組スリーブ４２が繊維軸方向Ｄ１１で収縮する。すなわち、収容部４１が繊維軸方向Ｄ１１で収縮し、収容部４１が幅方向Ｄ１２で広がるように、編組スリーブ４２が変形する。本実施形態では、繊維軸方向Ｄ１１に沿う方向が一方向に相当する。幅方向Ｄ１２が一方向と異なる他方向に相当する。
【0093】
これにより、アクチュエータ１Ａが編組スリーブ４２を構成する材料のみで構成される場合およびアクチュエータ１Ａが高分子材料４３のみで構成される場合と比較して、熱エネルギーが入力されたときに生じるアクチュエータ１Ａのひずみを大きくすることができる。
【0094】
このように、本実施形態においても、アクチュエータ１Ａに対して、外部エネルギーの入力によって生じるひずみが大きい性質と、ヤング率が高い性質との両方を持たせることが可能となる。よって、アクチュエータ１Ａの高出力化が可能となる。
【0095】
本実施形態のアクチュエータ１Ａを構成する繊維材料には、図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、節部４４が含まれなくてもよい。節部４４が含まれなくても、上記の理由により、アクチュエータ１Ａの高出力化が可能となる。なお、図１５（ａ）は、加熱前の本実施形態の節部を有していないアクチュエータ１Ａの側面図である。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のアクチュエータ１Ａの上面図である。図１５（ｃ）は、加熱後の本実施形態の節部を有していないアクチュエータ１Ａの側面図である。
【0096】
さらに、本実施形態のアクチュエータ１Ａによれば、次の効果を奏する。アクチュエータ１Ａを構成する繊維材料は、節部４４を含む。図１６に示すように、節部４４が有る場合の方が、節部４４が無い場合と比較して、高分子材料４３の膨張率が同じときのアクチュエータ１Ａの繊維軸方向Ｄ１１の収縮率を増大させることができる。すなわち、高分子材料４３の体積変化量が同じときのアクチュエータ１Ａの繊維軸方向Ｄ１１の収縮量を増大させることができる。なお、繊維軸方向Ｄ１１で隣り合う節部４４同士の間隔を変更することで、アクチュエータ１Ａの収縮量を調整することができる。
【0097】
また、本実施形態のアクチュエータ１Ａにおいて、編組スリーブ４２を構成する繊維は、炭素繊維、金属繊維等のように、導電性を有し、通電によって発熱することが好ましい。これによれば、編組スリーブ４２に通電することで、高分子材料４３に熱エネルギーを入力することができる。
【0098】
同様に、本実施形態のアクチュエータ１Ａにおいて、節部４４を構成する材料は、炭素繊維、金属繊維等のように、導電性を有し、通電によって発熱することが好ましい。これによれば、節部４４に通電することで、高分子材料４３に熱エネルギーを入力することができる。
【0099】
【0100】
図１７に示すように、編組スリーブ４２としての炭素繊維編組スリーブ４２ａと、高分子材料４３としてのシリコンゴム紐４３ａとを用意し、炭素繊維編組スリーブ４２ａにシリコンゴム紐４３ａを入れた。炭素繊維編組スリーブ４２ａでは、編組スリーブ４２を構成する複数の繊維４２１は炭素繊維である。炭素繊維編組スリーブ４２ａでは、複数の繊維４２１が組み合わされて網状に編まれている。なお、図１７では、複数の繊維４２１のそれぞれの間に大きな空隙が形成されているが、実際には、視認できるほどの大きさの空隙は形成されていない。用意した炭素繊維編組スリーブ４２ａの最小内径は５ｍｍ、最大内径は８ｍｍである。用意したシリコンゴム紐４３ａは、シリコンゴムで構成され、直径が５ｍｍ、硬度が５０の丸紐である。
【0101】
続いて、図１８に示すように、シリコンゴム紐４３ａの軸方向の膨張を抑えるために、炭素繊維編組スリーブ４２ａの軸方向での端とシリコンゴム紐４３ａの軸方向での端とを、固定部材４５としてのエポキシ系接着剤４５ａで固定した。
【0102】
続いて、図１９に示すように、針金４４ａを用意し、炭素繊維編組スリーブ４２ａに対してらせん状に針金４４ａを巻き付けた。さらに、炭素繊維編組スリーブ４２ａに対して針金４４ａをエポキシ系接着剤で固定した。これにより、節部４４を形成した。針金４４ａとして、直径が０．６ｍｍのニクロム線を用いた。
【0103】
このようにして、図２０に示す構造のアクチュエータ１Ａを作製した。作製したアクチュエータ１Ａでは、炭素繊維編組スリーブ４２ａの内部にシリコンゴム紐４３ａが配置されている。また、針金４４ａによって、らせん状の節部が形成されている。
【0104】
作製したアクチュエータ１Ａを２００℃で加熱したところ、図２１に示すように、アクチュエータ１Ａが幅方向Ｄ１２に膨張し、アクチュエータ１Ａが繊維軸方向Ｄ１１に収縮した。このとき、作製したアクチュエータ１Ａによれば、ＰＡ６が用いられた下記の文献に開示のアクチュエータと比較して、５倍以上の応力を発生することを、本発明者は確認した。
C. S. Haines et al., Artificial muscles from fishing line and sewing thread. Science 343, 868-872 (2014)
C. S. Haines et al., Artificial muscles from fishing line and sewing thread. Science 343, 868-872 (2014)
【0105】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。
【符号の説明】
【0106】
１０ 単位構造
１１ 収容部
１２ 骨格構造部
１３ 体積変化部
２１ 複数の結晶部
２２ 複数のタイ分子
２３ 複数の非勝負
４２ 編組スリーブ
４３ 高分子材料
１１ 収容部
１２ 骨格構造部
１３ 体積変化部
２１ 複数の結晶部
２２ 複数のタイ分子
２３ 複数の非勝負
４２ 編組スリーブ
４３ 高分子材料
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
