変位機構

【課題】形状記憶合金ワイヤの少ない変位を活用して大きな湾曲角度を得ることのできる変位機構を提供すること。
【解決手段】第１固定部及び連結部を有する第１の管と、第２固定部を有し、連結部を介して第１の管と連結される第２の管と、第１固定部及び第２固定部に固着された形状記憶部材と、を有し、連結部を中心に第１の管及び第２の管が回動する変位機構であって、
第１の管及び第２の管の長さ方向を長手方向とした場合、第１の管の連結部と第１の管の第１固定部との長手方向に沿った距離Ｌ１と、第１の管の連結部と第２の管の第２固定部との間の長手方向に沿った距離Ｌ２とが、以下の式（１）を満足することを特徴とする。
Ｌ２＞Ｌ１（１）

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の変位機構として、特許文献１及び特許文献２には、複数の管状体を回動自在に連結し、形状記憶合金に通電加熱することにより、連結された管状体を湾曲させる湾曲装置が開示されている。
また、特許文献３には、複数の関節駒からなる管状体において、関節駒を互いに回動自在に連結する回動軸が管状体の中心軸上から径方向に交互にずらして配置されている湾曲構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭６３−６２２１３号公報
【特許文献２】特公平６−７５５６５号公報
【特許文献３】特開平５−１８４５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、２に記載の湾曲装置では、形状記憶合金の収縮変位量が少なく湾曲角度が十分にとれないという問題点がある。
また、特許文献３に記載の湾曲構造では、連結部としての回動軸を径方向にずらしてはいるものの、形状記憶合金ワイヤとの位置関係が具体的に記載されておらず、関節駒の湾曲角度が十分にとれないおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、形状記憶合金ワイヤの少ない変位を活用して大きな湾曲角度を得ることのできる変位機構を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る変位機構は、
第１固定部及び連結部を有する第１の管と、
第２固定部を有し、連結部を介して第１の管と連結される第２の管と、
第１固定部及び第２固定部に固着された形状記憶部材と、を有し、
連結部を中心に第１の管及び第２の管が回動する変位機構であって、
第１の管及び第２の管の長さ方向を長手方向とした場合、
第１の管の連結部と第１の管の第１固定部との長手方向に沿った距離Ｌ１と、第１の管の連結部と第２の管の第２固定部との間の長手方向に沿った距離Ｌ２とが、以下の式（１）を満足することを特徴とする。
Ｌ２＞Ｌ１（１）
【０００７】
また、本発明の好ましい態様によれば、第１の管と第２の管とは複数連結されていることが望ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る変位機構は、形状記憶合金ワイヤの少ない変位を活用して大きな湾曲角度を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態の基本構成における変位機構の構成を示す側面図である。
【図２】図１の変位機構において、連結部を中心にして第１の管と第２の管がそれぞれ回動した状態を示す側面図である。
【図３】第１実施形態に係る変位機構の構成を示す斜視図である。
【図４】第１実施形態に係る変位機構の構成を示す分解斜視図である。
【図５】第１実施形態に係る変位機構の構成を示す側面図である。
【図６】第１実施形態に係る変位機構の構成を示す正面図である。
【図７】第１実施形態に係る変位機構の構成を示す背面図である。
【図８】第１実施形態に係る変位機構において、連結部を中心にして第１の管と第２の管がそれぞれ回動した状態を示す側面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の基本構成における変位機構の構成を示す側面図である。
【図１０】図９の変位機構において、連結部を中心にして第１の管と第２の管がそれぞれ回動した状態を示す側面図である。
【図１１】第２実施形態に係る変位機構の構成を示す斜視図である。
【図１２】第２実施形態に係る変位機構の構成を示す分解斜視図である。
【図１３】第２実施形態に係る変位機構の構成を示す側面図である。
【図１４】第２実施形態に係る変位機構の構成を示す正面図である。
【図１５】第２実施形態に係る変位機構の構成を示す背面図である。
【図１６】第２実施形態に係る変位機構において、連結部を中心にして第１の管と第２の管がそれぞれ回動した状態を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本実施形態の変位機構の構成による作用効果を説明する。なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えない。従って、以下で説明する本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。
以下の実施形態に係る変位機構は、連結部を中心に回動することによって、第１の管と第２の管がそれぞれ変位する。別言すると、変位機構における変位は、少なくとも第１の管と第２の管が連結部の周りを回動する動きを含む。
【００１１】
（基本構成）
本発明の第１実施形態に係る変位機構の詳細を説明する前に、その基本構成について説明する。
まず、図１及び図２を参照しつつ、本実施形態の基本構成について説明する。
図１は、本発明の実施形態の基本構成における変位機構の構成を示す側面図である。
図２は、図１の変位機構において、連結部１４ｂを中心にして第１の管１１と第２の管１２がそれぞれ回動した状態を示す側面図である。
【００１２】
図１は、形状記憶合金（以下、適宜「ＳＭＡ」という。）ワイヤ１３が常温における変位機構の状態を示している。図２は、ＳＭＡワイヤ１３を所定温度以上に加熱した状態を示している。図２では、第１の管１１と第２の管１２とを１つずつ連結している。これに限られず、例えば３個以上の管を直列的に連結してもよい。
【００１３】
また、図３、図４において詳述するように、実際は、ＳＭＡワイヤ１３は、第１の管１１、第２の管１２の上部平面の近傍に配置されている。図１、図２においては、構成の理解を容易にするため、ＳＭＡワイヤ１３と第１の管１１、第２の管１２との間を離間させて描いている。
【００１４】
図１及び図２に示す変位機構は、
第１固定部１５及び連結部１４ｂを有する第１の管１１と、
第２固定部１８を有し、連結部１４ｂを介して第１の管１１と連結される第２の管１２と、
第１固定部１５及び第２固定部１８に固着されたＳＭＡワイヤ１３（形状記憶部材）と、を有し、
連結部１４ｂを中心に第１の管１１及び第２の管１２が回動する変位機構である。
そして、第１の管１１及び第２の管１２の長さ方向を長手方向ＬＤとした場合、
第１の管１１の連結部１４ｂと第１の管１１の第１固定部１５との長手方向に沿った距離Ｌ１と、第１の管１１の連結部１４ｂと第２の管１２の第２固定部１８との間の長手方向に沿った距離Ｌ２とが、以下の式（１）を満足することを特徴とする。
Ｌ２＞Ｌ１（１）
【００１５】
後述する手順により、連結部１４ｂを中心に第１の管１１及び第２の管１２が回動する。
【００１６】
また、図１、図２においては、第１の管１１及び第２の管１２の片側の側面を示しているが、第１の管１１及び第２の管１２の反対側の側面には、連結部１４ｂに対向するように連結部１４ｂと同形状の連結部が設けられている。この連結部として後述する連結ピンが結合されている。
第１の管１１と第２の管１２は、ある直線に沿って延びる中空形状であれば、円筒以外の形状であってもよい。
【００１７】
第１の管１１は、図１において左方向へ延びる腕部１１ａを備えている。第２の管１２は第１の管１１側へ延びる腕部１２ａを備えている。第１の管１１と第２の管１２は、腕部１２ａに連結ピン１４０ａ、１４０ｂ（連結部、図４参照）を貫通させることにより、連結ピン１４０ａ、１４０ｂを介して互いに連結される。
【００１８】
これにより、図１において、第１の管１１と第２の管１２は連結ピン１４０ａ、１４０ｂ（図４）を中心にしてそれぞれ回動可能となる。ここで、第１の管１１と第２の管１２は、所望の角度、例えば９０度、まで互いに接触しないで回動可能な間隔で連結される。この間隔は、第１の管１１の腕部１１ａと第２の管１２の腕部１２ａの長さ、及び、腕部１１ａ、１２ａにおいて連結部１４ｂを貫通させる連結孔の位置によって任意に定めることができる。
【００１９】
また、ＳＭＡワイヤ１３として、通電により所定温度以上に加熱することにより収縮する形状記憶合金を用いた場合、ＳＭＡワイヤ１３を所定温度以上に加熱するとＳＭＡワイヤ１３が収縮する。これに伴って第１の管１１と第２の管１２が連結部１４ｂ、すなわち図４の連結ピン１４０ａ、１４０ｂを中心として回動するため、変位機構は全体として湾曲する。
【００２０】
上述したように、本実施形態において、円筒からなる管１１、１２の長さ方向を長手方向ＬＤ（図１参照）としたとき、
第１の管１１の連結部１４ｂと第１の管１１の第１固定部１５の中心との長手方向ＬＤに沿った距離Ｌ１と、第１の管１１の連結部１４ｂと第２の管１２の第２固定部１８の中心との間の長手方向に沿った距離Ｌ２とが、以下の式（１）を満足している。
Ｌ２＞Ｌ１（１）
【００２１】
Ｌ１は、ＳＭＡワイヤ１３に通電していない常温状態のときの距離となる。なお、図１は、第１固定部１５の中心１５ａから連結ピン１４ｂまでの距離と第２固定部１８の中心１８ａから連結ピン１４ｂまでの距離が、直線状となる例を示している。
【００２２】
式（１）を満足することにより、このため、管１１、１２どうしが曲がる角度が増幅される。
【００２３】
（第１実施形態）
次に、図３〜図８を参照しつつ、第１実施形態に係る変位機構１００の構成について説明する。ここで、図３〜図７は、第１実施形態に係る変位機構１００の構成を示す図であって、図３は斜視図、図４は分解斜視図、図５は側面図、図６は正面図、図７は背面図である。図８は、変位機構１００において、連結ピン１４０ａ、１４０ｂを中心にして第１の管１１０と第２の管１２０がそれぞれ回動した状態を示す側面図である。
なお、図８においては、バネ１９１の図示を省略している。
【００２４】
まず、図３、図４において、変位機構１００は、第１の管１１０と、第２の管１２０と、形状記憶部材としてのＳＭＡワイヤ１３０と、連結部としての連結ピン１４０ａ、１４０ｂと、を備える。
【００２５】
第１の管１１０は、略円筒形状を有している。その中心軸ＡＸ１（図２）方向の一方の端面からは、外側、すなわち図３において第１の管１１０から左側へ突出するように、一対の第１腕部１１２ａ及び第２腕部１１３ａが形成されている。
【００２６】
さらに、第１の管１１０は、その外周面の上部であって、着脱可能な固定部１５１を備える。固定部１５１は、固定部１５１を貫通したネジ１５２、１５３を第１の管１１０の周壁に設けた孔１１６、１１７にそれぞれ螺合することによって、第１の管１１０に固着される。
【００２７】
また、第２の管１２０は、略円筒形状を有している。その中心軸ＡＸ２（図２）方向の一方の端面からは、外側、すなわち図３において第２の管１２０から中心軸ＡＸ２に沿うように左側へ突出するように、一対の第１腕部１１２ｂ及び第２腕部１１３ｂが円筒形状の中央部分に形成されている。
【００２８】
さらに、第２の管１２０は、その外周面の上部であって、着脱可能な固定部１８１を備える。固定部１８１は、固定部１８１を貫通したネジ１８２、１８３を、第２の管１２０の周壁上部に設けた孔１１８、１１９にそれぞれ螺合することによって、第２の管１２０に固着される。
なお、上述したように、第１の管１１０及び第２の管１２０は、それぞれの中心軸ＡＸ１、ＡＸ２に沿って延びる中空形状であれば、円筒以外の形状であってもよい。
【００２９】
第１の管１１０と第２の管１２０は、連結ピン１４０ａ、１４０ｂを介して連結されている。連結ピン１４０ａは、連結孔１１５ｂ、連結孔１１３ｃに対して順に挿入される。同様に、連結ピン１４０ｂは、連結孔１１４ｂ、連結孔１１２ｃに対して挿入される。
【００３０】
連結ピン１４０ａは、連結孔１１５ｂ、連結孔１１３ｃを貫通させることにより機械的に結合される。連結ピン１４０ｂは、連結孔１１４ｂ、連結孔１１２ｃを貫通させることにより機械的に結合される。これにより、第１の管１１０と第２の管１２０は、連結ピン１４０ａ、１４０ｂによって互いに機械的に連結される。
連結ピン１４０ａと連結ピン１４０ｂとは、同一形状を備え、第１の管１１０及び第２の管１２０の中心軸ＡＸ１、ＡＸ２に関して略対称な位置に配置される。
【００３１】
具体的には、連結ピン１４０ａは、第２腕部１１３ｂの厚み方向に貫通する連結孔１１５ｂを介して第１の管１１０の周壁に設けた連結孔１１３ｃに挿入される。
連結ピン１４０ｂは、第１腕部１１２ｂの厚み方向に貫通する連結孔１１４ｂを介して第１の管１１０の周壁に設けた連結孔１１２ｃに挿入される。
【００３２】
また、第１の管１１０及び第２の管１２０において、連結孔１１２ｃ、１１３ｃが設けられた部分の周壁は平面となっている。第１腕部１１２ｂと第２腕部１１３ｂは、平面部分を第１の管１１０及び第２の管１２０に向けた部材である。
このような構成により、第１の管１１０と第２の管１２０は、連結ピン１４０ａ、１４０ｂを中心にして回動可能となる。
【００３３】
ここで、第１の管１１０と第２の管１２０は、所望の角度、例えば９０度、まで互いに接触しないで回動可能な間隔で連結される。この間隔は、第１腕部１１２ｂと第２腕部１１３ｂの長さ、第１の管１１０上の連結孔１１２ｃ、１１３ｃの位置、第１腕部１１２ｂ上の連結ピン１４０ｂの位置、第２腕部１１３ｂ上の連結ピン１４０ａの位置によって任意に定めることができる。
【００３４】
図４に示すように、ＳＭＡワイヤ１３０は、中心軸ＡＸ１、ＡＸ２に沿うように配置されている。ＳＭＡワイヤ１３０の一方の端部は、第１固定部１５１と第１の管１１０の上部の平面１１０ｃの間に挟持されている。ＳＭＡワイヤ１３０の他方の端部は、第２固定部１８１と第２の管１２０の上部の平面１２０ｃの間に挟持されている。これにより、ＳＭＡワイヤ１３０は、第１固定部１５１及び第２固定部１８１により、それぞれ第１の管１１０、第２の管１２０に固着される。
【００３５】
次に、図５の側面図に示すように、第１の管１１０及び第２の管１２０の下部において、周壁１１０ｂ、１２０ｂにはネジ孔１９２ａ、１９３ａがそれぞれ設けられている。ネジ孔１９２ａ、１９３ａに対して、バネ１９１の両端に挿通された固定ネジ１９２、１９３を螺合することにより、第１の管１１０と第２の管１２０をバネ１９１で連結している。
【００３６】
変位機構１００においては、第１の管１１０における連結ピン１４０ａ（連結部）と第１の管１１０の第１固定部１５１の中心１５１ａとの長手方向に沿った距離Ｌ１と、第１の管１１０における連結ピン１４０ａ（連結部）と第２の管１２０の第２固定部１８１の中心１８１ａとの間の長手方向ＬＤに沿った距離Ｌ２とが、以下の式（１）を満足する。
Ｌ２＞Ｌ１（１）
これにより、第１、第２の管１１、１２どうしが曲がる角度が増幅され、長手方向のみに全体として湾曲する変位を拡大できる。
【００３７】
なお、図５において、距離Ｌ１、Ｌ２は、ＳＭＡワイヤ１３０に通電していない常温状態のときの距離となる。
【００３８】
図６は、第１実施形態に係る変位機構１００を正面方向から見た構成を示す正面図である。
図７は、第１実施形態に係る変位機構１００を背面方向から見た構成を示す背面図である。
図６、図７に示すように、上述したように、ＳＭＡワイヤ１３０は、固定部１５１により第１の管１１０に固着される。同様に、ＳＭＡワイヤ１３０は、固定部１８１により第２の管１２０に固着される。
固定部１５１、１８１のＳＭＡワイヤ１３０が当接する部分は平面形状であり、ＳＭＡワイヤを第１の管１１０、第２の管１２０に固着する構成が望ましい。。
【００３９】
図８は、連結部である連結ピン１４０ａ、１４０ｂを中心にして第１の管１１０と第２の管１２０がそれぞれ回動した状態を示す側面図である。なお、簡単のため、バネ１９１の記載を省略する。
ＳＭＡワイヤ１３０に通電するとＳＭＡワイヤ１３０は加熱されて収縮する。これにより、第１の管１１０と第２の管１２０は、連結ピン１４０ａ、１４０ｂを中心として回動するため、全体として湾曲する。
これに対して、ＳＭＡワイヤ１３０への通電を止めると、ＳＭＡワイヤ１３０は元の長さに戻ろうとする。さらに、バネ１９１の弾性力によって第１の管１１０と第２の管１２０が引っ張られるため、より速く元の状態に戻ろうとする。
以上説明した実施形態によれば、長手方向のみに湾曲角度を増幅することができ、第１の管１１０及び第２の管１２０の長手方向の変位を拡大できる。したがって、ＳＭＡワイヤ１３０の少ない変位量でも大きな湾曲角度が得られる。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る変位機構について説明する。
第１実施形態に係る変位機構１００は第１の管１１０及び第２の管１２０の長手方向の変位拡大が中心であったが、第２実施形態に係る変位機構２００は、長手方向の変位拡大にさらに径方向の変位拡大を合わせた変位拡大が得られる。
図９は、第２実施形態の基本構成における変位機構の構成を示す側面図である。
まず、図９及び図１０を参照しつつ、本実施形態の基本構成について説明する。
図９は、本発明の実施形態の基本構成における変位機構の構成を示す側面図である。
図１０は、図９の変位機構において、連結部１４ｂを中心にして第１の管１１と第２の管１２がそれぞれ回動した状態を示す側面図である。
【００４１】
上述した第１の実施形態の変位機構１００では、腕部１１ａ、１２ｂが、それぞれ第１の管１１、第２の管１２の図面中央部分に形成されている。これに対して、本実施形態に係る変位機構２００では、腕部１１ａ、１２ｂが、それぞれ第１の管１１、第２の管１２の図面における上部部分に形成されている。このように、変位機構１００と変位機構２００とでは、腕部１１ａ、１２ｂが形成されている位置が、それぞれ第１の管１１、第２の管１２に対して異なる。
【００４２】
図１１は、第２実施形態に係る変位機構２００の構成を示す斜視図である。図１２は、変位機構２００の構成を示す分解斜視図である。図１３は、変位機構２００の構成を示す側面図である。図１４は、変位機構２００の構成を示す正面図である。図１５は、変位機構２００の構成を示す背面図である。図１６は、変位機構２００において、連結部を中心にして第１の管と第２の管がそれぞれ回動した状態を示す側面図である。
【００４３】
上述した第１実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４４】
本実施形態においても、式（１）を満足することにより、管１１、１２どうしが長手方向に曲がる角度が増幅されることに加えて、径方向にも変位が拡大し、全体として湾曲する変位を拡大できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明に係る変位機構は、小型の管状体を複数連結した構造の湾曲に有用である。
【符号の説明】
【００４６】
１１第１の管
１１ａ、１２ｂ腕部
１２第２の管
１３ＳＭＡワイヤ
１４ａ、１４ｂ連結ピン
１５、１８固定部
ＡＸ１、ＡＸ２中心軸
１００変位機構
１１０第１の管
１１２ａ、１１２ｂ第１腕部
１１３ａ、１１３ｂ第２腕部
１１２ｃ、１１３ｃ連結孔
１１４ａ、１１４ｂ連結孔
１１５ａ、１１５ｂ連結孔
１１６、１１７、１１８、１１９孔
１２０第２の管
１３０ＳＭＡワイヤ
１４０ａ、１４０ｂ連結ピン
１５１、１８１固定部
１５２、１５３ネジ
１８２、１８３ネジ
１９２、１９３固定ネジ
１９２ａ、１９２ｂネジ孔
１９１バネ
２００変位機構

【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１固定部及び連結部を有する第１の管と、
第２固定部を有し、前記連結部を介して前記第１の管と連結される第２の管と、
前記第１固定部及び前記第２固定部に固着された形状記憶部材と、を有し、
前記連結部を中心に前記第１の管及び前記第２の管が回動する変位機構であって、
前記第１の管及び前記第２の管の長さ方向を長手方向とした場合、
前記第１の管の前記連結部と前記第１の管の前記第１固定部との長手方向に沿った距離Ｌ１と、前記第１の管の前記連結部と前記第２の管の前記第２固定部との間の長手方向に沿った距離Ｌ２とが、以下の式（１）を満足することを特徴とする変位機構。
Ｌ２＞Ｌ１（１）
【請求項２】
前記第１の管と前記第２の管とは複数連結されていることを特徴とする請求項１に記載の変位機構。

【図１】