(57)【要約】【課題】全長に比べて大きな動作ストロークが得られるアクチュエータを提供する。操作力の大きいアクチュエータを提供する。【解決手段】機能性流体を収容する流体収容部３と、流体収容部３から流入する前記機能性流体のジェット噴流圧力を受けて変形する駆動部２と、前記機能性流体に電圧を印加して、前記流体収容部から前記駆動部に向かうジェット噴流圧力を発生させる少なくとも１対の電極４，５を備えるアクチュエータ１において、流体収容部３を駆動部２の内部に収容する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能性流体を収容する流体収容部と、
前記流体収容部から流入する前記機能性流体のジェット噴流圧力を受けて変形する駆動部と、
前記機能性流体に電圧を印加して、前記機能性流体に前記流体収容部から前記駆動部に向かうジェット噴流圧力を発生させる少なくとも１対の電極と、
を備えるアクチュエータにおいて、
前記流体収容部は前記駆動部の内部に収容されている
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動部は、上面部材と下面部材と側面部材を有する円柱状の中空容器であって、
前記側面部材は面内方向及び面外方向に自在に弾性変形する弾性素材で構成されるとともに、前記下面部材から前記上面部材に向かう方向の伸縮を拘束する補強部材を装着され、
さらに、前記駆動部は、前記下面部材に固定されて、前記駆動部を液密に区画する内部部材を備え、
前記流体収容部は前記内部部材の内部に収容されている
ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記下面部材の下方に配置され、前記１対の電極のそれぞれと電気的に接続される１対の電気接点を備える
ことを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記上面部材の上方に配置され、前記１対の電気接点のそれぞれと電気的に接続される１対の上部電気接点を備える
ことを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記流体収容部と前記駆動部を連絡して、前記機能性流体が通過する複数個の連絡流路を備えるととともに、
前記複数個の連絡流路のそれぞれに、前記１対の電極を備える
ことを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記機能性流体は電界共役流体である
ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記機能性流体は電気流体力学流体である
ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記機能性流体はイオン泳動によって流動する流体である
ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記側面部材はゴム膜で構成される
ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記補強部材は、前記ゴム膜に貼付されて、その両端を前記上面部材及び前記下面部材に連結された繊維である
ことを特徴とする請求項９に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
機能性流体を収容する流体収容部と、
前記流体収容部から流入する前記機能性流体のジェット噴流圧力を受けて変形する駆動部と、
前記機能性流体に電圧を印加して、前記機能性流体に前記流体収容部から前記駆動部に向かうジェット噴流圧力を発生させる少なくとも１対の電極と、を備えて、
前記流体収容部を前記駆動部の内部に収容する複数個のアクチュエータを上下に積み上げて組み合わせてなる
ことを特徴とするアクチュエータ組立体。
【請求項１２】
機能性流体を収容する流体収容部と、
前記流体収容部から流入する前記機能性流体のジェット噴流圧力を受けて変形する駆動部と、
前記機能性流体に電圧を印加して、前記機能性流体に前記流体収容部から前記駆動部に向かうジェット噴流圧力を発生させる少なくとも１対の電極と、を備えて、
前記流体収容部を前記駆動部の内部に収容する複数個のアクチュエータを水平方向に並列配置して、
前記複数個のアクチュエータの上面と下面を１対のアダプタで挟んで組み合わせてなる
ことを特徴とするアクチュエータ組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能性流体を収容する流体収容部と前記流体収容部から流入する前記機能性流体のジェット噴流圧力を受けて変形する駆動部を備えるアクチュエータ、及び複数個の該アクチュエータを組み合わせてなるアクチュエータ組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間の活動領域で、人間と混在して活動するサービスロボットの研究が盛んに行われている。安全柵で区画された作業領域で運転される産業用ロボットと異なり、サービスロボットは人間との接触や衝突が避けられないので、サービスロボットには衝突時の衝撃を吸収できる「軟らかい」アクチュエータが必須とされる。また、そのための各種のアクチュエータが提案されている。
【０００３】
例えば、非特許文献１は、電界共役流体（ＥＣＦ；Electro-Conjugate Fluid）を作動流体とするアクチュエータを提案している。このアクチュエータは、周囲に繊維を貼り付けて補強されたゴム製円筒に内圧を加えると、該ゴム製円筒の胴回りが膨らみ、長さが短くなる性質を利用するものであり、ＥＣＦに電圧を印加してジェット噴流を発生させる電極対を備えている（Ｆｉｇ５）。
【０００４】
【非特許文献１】Ｓｈｉｎｉｃｈｉ  Ｙｏｋｏｔａ他  ”Ｎｅｗ  Ｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｆｌｕｉｄｓ”、文部科学省  科研費  特定領域研究  「ブレイクスルーを生み出す次世代アクチュエータ研究  第４回公開シンポジウム資料  Ａ０２・４１〜４２ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１のアクチュエータは、直径１３．５ｍｍ、長さ１４ｍｍという外形寸法に対して、動作ストロークは１．２ｍｍと小さい。つまり、非特許文献１のアクチュエータは外形寸法に対して動作ストロークが小さいという問題がある。また、非特許文献１のアクチュエータには、非作動時にゴム製円筒から排出されるＥＣＦを収容する容器を備える必要があるが、この容器とゴム製円筒を結合すると、アクチュエータは更に長くなり、長さに対するストロークの比率は小さくなる。
【０００６】
また、非特許文献１のアクチュエータは、操作力に限界があるという問題もある。操作力を大きくするためには、ゴム製円筒の寸法を大きくすればよいが、ゴム製円筒の寸法を大きくすれば、ゴム製円筒が自身の重量を支えられなくなるので、ゴム製円筒の寸法には限界がある。従って、ゴム製円筒の寸法の拡大による非特許文献１のアクチュエータの操作力の拡大には限界がある。
【０００７】
本発明は、このような背景の下でなされたものであり、全長に比べて大きな動作ストロークが得られるアクチュエータを提供するものである。また、動作ストロークあるいは操作力の大きいアクチュエータ組立体を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のアクチュエータは、機能性流体を収容する流体収容部と、前記流体収容部から流入する前記機能性流体のジェット噴流圧力を受けて変形する駆動部と、前記機能性流体に電圧を印加して、前記機能性流体に前記流体収容部から前記駆動部に向かうジェット噴流圧力を発生させる少なくとも１対の電極と、を備えるアクチュエータにおいて、前記流体収容部は前記駆動部の内部に収容されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明のアクチュエータ組立体は、機能性流体を収容する流体収容部と、前記流体収容部から流入する前記機能性流体のジェット噴流圧力を受けて変形する駆動部と、前記機能性流体に電圧を印加して、前記機能性流体に前記流体収容部から前記駆動部に向かうジェット噴流圧力を発生させる少なくとも１対の電極と、を備えて、前記流体収容部を前記駆動部の内部に収容する複数個のアクチュエータを上下に積み上げて組み合わせてなることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のアクチュエータ組立体は、機能性流体を収容する流体収容部と、前記流体収容部から流入する前記機能性流体のジェット噴流圧力を受けて変形する駆動部と、前記機能性流体に電圧を印加して、前記機能性流体に前記流体収容部から前記駆動部に向かうジェット噴流圧力を発生させる少なくとも１対の電極と、を備えて、前記流体収容部を前記駆動部の内部に収容する複数個のアクチュエータを水平方向に並列配置して、前記複数個のアクチュエータの上面と下面を１対のアダプタで挟んで組み合わせてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、駆動部の内部に流体収容部を収容するので、アクチュエータの長さが短くなる。そのため、長さに対する動作ストロークの比率が大きくなるので、アクチュエータの実用性を高めることができる。また、複数個のアクチュエータを上下に積み上げてアクチュエータ組立体を構成するので、大きな動作ストロークが得られる。また、複数個のアクチュエータを水平方向に並列配置してアクチュエータ組立体を構成するので、大きな操作力が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態を示すアクチュエータ１の概念的な斜視図であり、図２は同じくアクチュエータ１の概念的な断面図である。
【００１４】
図１及び図２に示すように、アクチュエータ１は、駆動部２、流体収容部３、及び１対の電極４，５を備える。
【００１５】
駆動部２は円柱状の中空容器であって、その内部は内部部材６によって圧力室７と空所８に分けられる。
【００１６】
また駆動部２は、図２に示すように、上面部材２１、下面部材２２及び側面部材２３を有する。上面部材２１及び下面部材２２は、駆動部２の上端及び下端を形成する円板状の部材である。材質は特に限定されないが、必要な強度及び剛性を有する素材を適宜選択する。
【００１７】
また側面部材２３は、図３に示すように、必要な弾性を備えて、面内及び面外方向に変形するゴム製円筒２３１に、補強部材２３２を貼り付けて構成される。補強部材２３２は長さ方向の弾性が小さい、つまり長さ方向に力を加えた場合の伸縮量が小さい繊維素材（例えばアラミド繊維等）を使用して、ゴム製円筒２３１を構成するゴム膜の伸縮を拘束する。補強部材２３２の上下端は、上面部材２１及び下面部材２２に連結される。
【００１８】
図１，２に戻って、説明を続ける。内部部材６は駆動部２の内部を液密に区画するカップ状の部材であり、やはり必要な強度及び剛性を有する素材を適宜選択する。
【００１９】
流体収容部３は駆動部２の空所８の内部に収容された円柱状の中空容器であって、連絡流路９を介して駆動部２の圧力室７と連通している。また、圧力室７と流体収容部３の内部は電界共役流体（ＥＣＦ；Electro-Conjugate Fluid）で満たされ、またＥＣＦは連絡流路９を通って圧力室７と流体収容部３の間を移動することができる。
【００２０】
電極４，５は、連絡流路９の圧力室７側の端部と流体収容部３側の端部にそれぞれ配置され、外部接点１０，１１及びリード線１２，１３を介して図示しない電源に接続されて、連絡流路９内のＥＣＦに電圧を印加する。ＥＣＦに電圧を印加すると、流体収容部３から圧力室７に向かうＥＣＦのジェット噴流が発生する。なお、ＥＣＦは各種公知の物質を選ぶことができるが、本実施形態では、ＤＢＤ（デカン二酸ジブチル）を用いた。
【００２１】
このように構成されているので、電極４，５に通電してＥＣＦに電圧を印加すると、流体収容部３から駆動部２の圧力室７に向かうジェット噴流が発生して、駆動部２は図４に示すように変形する。つまり、ゴム製円筒２３１の長さ方向の伸びは補強材２３２によって拘束されているので、ゴム製円筒２３１は半径方向にのみ膨らんで、駆動部２は全体として上下方向に縮む。また、電極４，５への通電を停止すると、圧力室７に流入したＥＣＦは、連絡流路９を通って流体収容部３へ戻り、駆動部２は図３に示したような形状に戻る。このように、アクチュエータ１は、電極４，５への通電あるいは通電停止によって、ＥＣＦを流体収容部３から圧力室７へ、あるいは圧力室７から流体収容部３へ移動させ、駆動部２を伸縮させ、この駆動部２を伸縮させる力を操作力として利用する。
【００２２】
また、アクチュエータ１は、流体収容部３を圧力室７の内部に収容しているので、長さ（高さ）を小さくすることができる。言い換えれば、長さに比べて動作ストロークを大きくすることができる。
【００２３】
また、図５に示すように、アクチュエータ１の外部接点１０，１１を駆動部２の下面部材２２の下方から、側面部材２３の外側を通って、上面部材２１の上方まで延長してもよい。
【００２４】
図５のように構成されたアクチュエータ１を図６（ａ）に示すように、上下に積み上げて一体にすれば、下方にあるアクチュエータ１の外部接点１０，１１の上端と、上方にあるアクチュエータ１の外部接点１０，１１の下端が互いに電気的に接触するので、全てのアクチュエータ１は電気的に一体になる。つまり、上下に積み上げた複数のアクチュエータ１のどれか１つのアクチュエータ１の外部接点１０，１１を図示しない電源に接続すれば、すべてのアクチュエータ１の電極４，５に電圧を印加することができる。つまり、すべてのアクチュエータ１を同時に動作させることができる。
【００２５】
また、このように複数のアクチュエータ１を上下に積み上げて一体にして、同じタイミングで動作するようにして、アクチュエータ組立体１４を構成すれば、複数のアクチュエータ１の動作ストロークが加算されるから、アクチュエータ組立体１４は、図６（ｂ）に示すように、大きな動作ストロークを得ることができる。
【００２６】
また、図７（ａ）に示すように、下部アダプタ１５の上に複数のアクチュエータ１を並列に配置・固定し、その上に上部アダプタ１６を配置して、該複数のアクチュエータ１と連結して、アクチュエータ組立体１７を構成してもよい。なお、下部アダプタ１５及び上部アダプタ１６は該複数のアクチュエータ１を連結する平板であり、該複数のアクチュエータ１の自重と操作力に耐える強度と剛性があれば、素材や形状は問わない。
【００２７】
アクチュエータ組立体１７を構成する複数のアクチュエータ１を、図７（ｂ）に示すように、同じタイミングで動作するようにすれば、複数のアクチュエータ１の操作力が総和されるから、全体として、大きな操作力を得ることができる。
【００２８】
また、駆動部２の圧力室７と流体収容部３を連絡する連絡流路９は、図１等に示したような一本の管には限られない。図８に示すように圧力室７と流体収容部３の間に多数の連絡流路９を設けて、該多数の連絡流路９のそれぞれに電極４，５を備えれば、流路の断面積を大きくできるので、ＥＣＦが圧力室７と流体収容部３の間を速やかに移動できる。そのためアクチュエータ１の応答性が向上する。
【００２９】
アクチュエータ１は、ロボットアームを駆動する人工筋肉として使用することができる。例えば、図９に示すように、アーム１８をアーム１９に回転軸Ｐを介して軸支して、アーム１８が回転軸Ｐ回りに自在に回転するようにして、アクチュエータ組立体１４の一端をアーム１８に連結され、他端をアーム１９に連結すれば、アクチュエータ組立体１４を伸縮させて、アーム１８は回転軸Ｐ回りに回転駆動することができる。
【００３０】
なお、本実施形態ではアクチュエータ１の作動流体にＤＢＤ（デカン二酸ジブチル）を用いたが、アクチュエータ１の作動流体は、これに限られない。他の電界共役流体（ＥＣＦ）、例えば、ジブチルアジペート（ＤＢＡ）、トリブチルシトレート（ＴＢＣ）、モノブチルマレエート（ＭＢＭ）などを使用してもよい。また、アクチュエータ１の作動流体は一般に「電圧を印加すると、一方向に流れを生じる性質を持つ機能性流体」であればよいので、シリコン油、フロン・エチルアルコール混合物のような電気流体力学（Electrohydrodynamic）流体を使用することもできる。あるいは鉱油・イオン種のようなイオン泳動を生じる流体を使用することもできる。
【００３１】
なお、本実施形態は本発明の具体的な実施形態の一例に過ぎない。したがって、本発明の技術的範囲は、本実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された技術的思想を逸脱しない限りにおいて、応用、変形、あるいは改良して実施できることはいうまでもない。
【００３２】
以上説明したように、本発明によれば、駆動部の内部に流体収容部を収容するので、アクチュエータの長さを短くすることができる。そのため、長さに対するストロークの比率が大きくなる。また、複数のアクチュエータを上下に積み重ねてアクチュエータ組立体を構成するので、大きな動作ストロークを得ることができる。また、複数のアクチュエータを並列に配置してアクチュエータ組立体を構成するので、大きな操作力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態を示すアクチュエータの概念的な斜視図である。
【図２】アクチュエータの概念的な断面図である。
【図３】非作動時の駆動部の状態を示す斜視図である。
【図４】作動時の駆動部の状態を示す斜視図である。
【図５】アクチュエータの変形例を示す概念的な断面図である。
【図６】複数のアクチュエータを上下に積層結合した状態を示す図である。
【図７】複数のアクチュエータを並列に配置して結合した状態を示す図である。
【図８】連絡流路の変形例を示す図である。
【図９】アクチュエータをアームの駆動源に利用する例を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  アクチュエータ
２  駆動部
３  流体収容部
４，５  電極
６  内部部材
７  圧力室
８  空所
９  連絡流路
１０，１１  外部接点
１２，１３  リード線
１４，１７  アクチュエータ組立体
１５  下部アダプタ
１６  上部アダプタ
１８，１９  アーム
２１  上面部材
２２  下面部材
２３  側面部材
２４  内部部材
２３１  ゴム製円筒
２３２  補強部材
【図１】
2010133486.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010133486.tif 000009
【図８】
2010133486.tif 000010
【図９】
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