(57)【要約】【課題】ＥＲゲル等の比較的小さな変位量を発生する受動素子を使用して、比較的大きな変位量を得ることが可能な駆動装置を提供する。【解決手段】電界を印加したときに電界と平行な方向に収縮し且つ電界と平行な方向とは異なる方向に伸張する、複数の素子１１Ａ、１１Ｂがアクチュエータに使用される。可動部３は、所定方向に進退可能に支持され、電界の印加およびその除去による素子の変形により移動される。素子に印加される電界は、素子を間に挟むようにして配置される複数の電極１２Ａ、１２Ｂと、これに直流電力を供給する電源部６とにより発生される。制御部７は、所定周期で電界を間欠的に発生するように電源部６から電極１２に供給される電力を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界を印加したときに前記電界と平行な方向に収縮し且つ前記電界と平行な方向とは異なる方向に伸張する、複数の素子を使用した駆動装置であって、
所定方向に進退可能に支持され、前記電界の印加およびその除去による前記素子の変形により移動される可動部と、
前記素子に印加される電界を発生する電界発生手段と、
前記電界発生手段が、所定周期で前記電界を間欠的に発生するよう制御する制御手段と、
を具備した駆動装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記可動部の移動速度に応じて前記電界の強度および前記電界を発生する周期の少なくとも一方を調節する請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】
前記素子が、前記変形により前記可動部に及ぼす力の前記所定方向の成分が正となるグループと、前記力の前記所定方向の成分が負となるグループとに区分されている請求項１または２記載の駆動装置。
【請求項４】
前記素子は、前記各グループ内において互いに平行且つ前記所定方向と平行に並んでいる請求項１〜３のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項５】
前記素子のそれぞれのグループが、互いに平行に並んでいる請求項４記載の駆動装置。
【請求項６】
前記素子のそれぞれのグループが、前記所定方向と平行な１つの直線上に並んでいる請求項４記載の駆動装置。
【請求項７】
前記可動部は、前記電界が前記素子に印加されたときの前記電界と平行な方向とは異なる方向への前記素子の伸張により駆動される請求項１〜６のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項８】
前記可動部は、前記電界の印加により前記電界と平行な方向に収縮した前記素子が、前記印加された電界の除去により元の状態に復帰するときの前記素子の変形により駆動される請求項１〜６のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項９】
前記電界発生手段が、前記素子を間に挟んで互いに略平行となるように配設された一対の電極を含み、
前記一対の電極の少なくとも一方は、前記電界の印加およびその除去による前記素子の変形に追従して移動可能に設けられている請求項１〜８のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項１０】
前記移動可能に設けられた電極が、前記素子の変形に追従して移動するように付勢されている請求項９記載の駆動装置。
【請求項１１】
前記素子が、圧電体から構成される請求項１〜１０のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項１２】
前記素子が、電場下で電気分極する微粒子を分散してなるＥＲ流体をゲル化したＥＲゲルから構成される請求項１〜１０のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項１３】
前記電界発生手段が、前記複数の素子のそれぞれに個別に印加される電界を発生する個別の電界発生手段を有し、
前記制御手段が、前記個別の電界発生手段が所定周期且つ所定の位相差の下で前記電界を間欠的に発生するように制御する請求項１〜１２のいずれかに記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置に関する。更に詳しくは、圧電体やＥＲゲルなどの比較的変位量の小さい素子を使用した駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微小且つ正確な作動が求められる機構のアクチュエータおよびセンサを構成する素子として圧電素子（ピエゾ素子）が広く使用されている（例えば、特許文献１参照）。ピエゾ素子は、機械的エネルギーを加えると電気的エネルギーを発生し(圧電効果)、逆に電気的エネルギーを加えると機械的エネルギーを発生する(逆圧電効果)性質を有する材料から構成された受動素子である。例えば、チタン酸バリウム等の強誘電体材料に約１０6Ｖ／ｍの電界を与えると、全長に対して、０．００１程度の歪みが生じる。そのような変位を利用して弁の開閉や、スイッチのオン・オフが行われる。
【０００３】
また、近年、電界の印加により見かけの粘弾性が高速、かつ可逆的に大きく変化する特性（エレクトロレオロジー効果）を有するＥＲ流体が、応答性が極めて良好であり、特性変化の幅が広い等の理由により、様々な分野への応用が可能なものとして注目を集めている。そして、上記ＥＲ流体を、取り扱いを容易にするためにゲル化したＥＲゲルをアクチュエータの素子として利用することに関する提案が種々なされている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平４−８１９０７号公報
【特許文献２】特開平６−７４２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したとおり、ピエゾ素子は、素子やセンサとして現在広く利用されているが、ＥＲ流体ないしはＥＲゲルについては、現状では、クラッチやダンパなど一部の機器への応用が考えられているだけであり、未だ広く利用されているとは言い難い。その原因は、ＥＲゲルは、ピエゾ素子と比較すると、応答性が遅いために、応用できる範囲が限定されるからであると考えられる。
反面、ＥＲゲルは、変位量はピエゾ素子と比較すると大きいために、それを各種分野でアクチュエータとして応用する技術が確立されれば、そのようなアクチュエータは非常に有用なデバイスとなり得る。また、そのような技術の開発は、ＥＲゲルについてのみならず、同様の性質を有するピエゾ素子についても新たな応用の可能性を切り開くものとして期待される。また、近年、ＥＲゲルの材料については研究が進み、応答性も向上している。したがって、ＥＲゲルをアクチュエータとして応用し得る範囲もますます広がることが予想されるために、そのような技術の開発は急務となっている。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＥＲゲル等の比較的小さな変位量を発生する受動素子を使用して、比較的大きな変位量を得ることが可能な駆動装置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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の駆動装置は、電界を印加したときに前記電界と平行な方向に収縮し且つ前記電界と平行な方向とは異なる方向に伸張する、複数の素子を使用した駆動装置であって、
所定方向に進退可能に支持され、前記電界の印加およびその除去による前記素子の変形により移動される可動部と、
前記素子に印加される電界を発生する電界発生手段と、
前記電界発生手段が、所定周期で前記電界を間欠的に発生するよう制御する制御手段と、
を具備する。
【０００８】
ここで、本発明の駆動装置においては、前記制御手段は、前記可動部の移動速度に応じて前記電界の強度および前記電界を発生する周期の少なくとも一方を調節するのが好ましい。
また、前記素子が、前記変形により前記可動部に及ぼす力の前記所定方向の成分が正となるグループと、前記力の前記所定方向の成分が負となるグループとに区分されているのが好ましい。
【０００９】
また、前記素子は、前記各グループ内において互いに平行且つ前記所定方向と平行に並んでいるのが好ましい
また、前記素子のそれぞれのグループが、互いに平行に並んでいるのも好ましい。
また、前記素子のそれぞれのグループが、前記所定方向と平行な１つの直線上に並んでいるのが好ましい。
【００１０】
また、前記可動部は、前記電界が前記素子に印加されたときの前記電界と平行な方向とは異なる方向への前記素子の伸張により駆動されるのも好ましい。
また、前記可動部は、前記電界の印加により前記電界と平行な方向に収縮した前記素子が、前記印加された電界の除去により元の状態に復帰するときの前記素子の変形により駆動されるのも好ましい。
【００１１】
また、前記電界発生手段が、前記素子を間に挟んで互いに略平行となるように配設された一対の電極を含み、
前記一対の電極の少なくとも一方は、前記電界の印加およびその除去による前記素子の変形に追従して移動可能に設けられているのが好ましい。
また、前記移動可能に設けられた電極が、前記素子の変形に追従して移動するように付勢されているのも好ましい。
【００１２】
また、前記素子が、圧電体から構成されるのも好ましい。
また、前記素子が、電場下で電気分極する微粒子を分散してなるＥＲ流体をゲル化したＥＲゲルから構成されるのも好ましい。
【００１３】
また、前記電界発生手段が、前記複数の素子のそれぞれに個別に印加される電界を発生する個別の電界発生手段を有し、
前記制御手段が、前記個別の電界発生手段が所定周期且つ所定の位相差の下で前記電界を間欠的に発生するように制御するのも好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の駆動装置は、電界を印加したときにその電界と平行な方向に収縮し且つその電界と平行な方向とは異なる方向に伸張する、複数の素子と、所定方向に進退可能に支持され、上記電界の印加およびその除去による上記素子の変形により移動される可動部とを備えている。また、本発明の駆動装置は、上記素子に印加される上記電界を発生する電界発生手段と、上記電界発生手段が、所定周期で上記電界を間欠的に発生するよう制御する制御手段とを備えている。上記所定方向に進退可能に支持された可動部を、伸張・収縮を繰り返すように制御手段の制御により電界が印加・除去される素子により駆動するので、素子の小さな変形により可動部を大きく変位させることができる。
ここで、応答の極めて速い、例えばＥＲゲルを素子として使用し、電界の印加・除去を繰り返す周波数を大きくすることにより可動部を高速に移動させることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〈実施の形態１〉
図１は、本発明の実施の形態１に係る駆動装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、駆動装置を、駆動源部が設けられた側から見た側面図である。図３は、駆動源部の正方向駆動源部および逆方向駆動源部をそれぞれ上方および側方から見た二面図である。
駆動装置１は、複数のアクチュエータを含む駆動源部２と、駆動源部２により所定方向に進退するよう直線的に駆動される可動部３と、可動部３の位置に応じた信号を出力するリニア・エンコーダ４と、可動部３を上記所定方向に進退可能に支持するとともに、駆動源部２およびリニア・エンコーダ４を支持する支持部５と、駆動源部２に直流電力を供給する電源部６と、駆動源部２および電源部６を制御する制御部７とを備えている。
【００１６】
駆動源部２は、図２に示すように、可動部３を所定方向（例えば図２の右方向、以下正方向という）に駆動する正方向駆動源部２Ａと、可動部３を上記所定方向とは逆の方向（例えば図２の左方向、以下逆方向という）に駆動する逆方向駆動源部２Ｂとから構成されている。これと対応して、電源部６は、正方向駆動用電源６Ａ（図３参照）と、逆方向駆動用電源６Ｂとを含んでいる。
【００１７】
図３に示すように、正方向駆動源部２Ａおよび逆方向駆動源部２Ｂは、それぞれ、ＥＲゲルからなる複数の素子１１Ａまたは１１Ｂと、素子１１Ａ、１１Ｂに電界を印加するための複数の電極１２Ａまたは１２Ｂと、制御部７により制御されるスイッチ１３Ａまたは１３Ｂと、素子１１Ａ、１１Ｂおよび電極１２Ａ、１２Ｂが一方の面に取り付けられる板状の基部１４Ａまたは１４Ｂと、素子１１Ａ、１１Ｂの間に配された絶縁板１５Ａまたは１５Ｂとを備えている。これら正方向駆動源部２Ａの基部１４Ａと逆方向駆動源部２Ｂの基部１４Ｂとは同一の平面上に位置し、正方向駆動源部２Ａと逆方向駆動源部２Ｂとは互いに平行に横に並んでいる。
【００１８】
以下、ＥＲゲルから構成されるアクチュエータの作動原理を、図４および図５を参照して説明する。図４は、ＥＲゲルに電界が印加されていない状態を示す、ＥＲゲルを素子として使用したアクチュエータのモデルの正面図である。図５は、ＥＲゲルに電界が印加された状態を示す、ＥＲゲルを素子として使用したアクチュエータのモデルの正面図である。
【００１９】
ＥＲゲルは、電界の印加によって見かけの粘弾性が高速、かつ可逆的に大きく変化する性質を有するＥＲ流体（Electro-rheological Fluid）を、取り扱いを容易とするためにゲル化したものである。本実施の形態１においては、図４に示すように、電場下で分極する微粒子（以下、ＥＲ粒子という）２１を分散した粒子分散系ＥＲ流体からなるＥＲゲルをアクチュエータの素子１１として使用している。図４の例においては、素子１１は角柱形状に成形され、その１つの幅方向（図の左右方向）の両側に電極１２が配され、他の１つの幅方向（紙面に垂直な方向）の両側には図示しない板状の絶縁体が密着するように固定して配置されている。素子１１、電極１２、および上記絶縁体は板状の絶縁体からなる基部１４の一方の面に立設されている。
なお、本実施の形態においては、素子１１を角柱形状に形成しているが、シート状や板状に形成された素子１１を使用しても同様の効果を奏することができる。
【００２０】
ＥＲ粒子２１は例えば径が１０〜２０μｍ程度の有機無機複合体からなる粒子であり、電場下で分極する。分極した各ＥＲ粒子２１は分極した方向（電界の方向）に互いに引きつけ合う。ＥＲ粒子２１が電界の方向に互いに引きつけ合うと、図５に示すように、ＥＲ粒子２１が分散されてなるＥＲゲルは、その方向（図に白抜きの矢印２２により示している）に圧縮される。その結果、ＥＲゲルからなる素子１１は、体積は一定であるために電界の方向と垂直な方向（図に白抜きの矢印２３により示している）に伸張する。
【００２１】
本実施の形態１の素子１１Ａ、１１Ｂは、上述した性質を有するＥＲゲルを側面が平行四辺形である角柱形状に成形したものである。ここで、正方向駆動源部２Ａに含まれる全ての素子１１Ａは、それぞれの長手方向が、可動部３が進退駆動される方向（以下、単に駆動方向という）と垂直な方向から正方向に傾いて上記駆動方向と斜めに交わるように、基部１４Ａに立設されている。また、正方向駆動源部２Ａに含まれる全ての素子１１Ａは、互いに平行に上記駆動方向に１列に並ぶように配設されている。
【００２２】
一方、逆方向駆動源部２Ｂに含まれる全ての素子１１Ｂは、それぞれの長手方向が、上記駆動方向と垂直な方向から逆方向に傾いて上記駆動方向と斜めに交わるように、基部１４Ｂに立設されている。また、逆方向駆動源部２Ｂに含まれる全ての素子１１Ｂは、互いに平行に上記駆動方向に１列に並ぶように配設されている。
【００２３】
ここで、図３に示すように、正方向駆動源部２Ａの素子１１Ａは、列に並ぶ方向の両側を絶縁板１５Ａにより挟まれている。そして、列に並ぶ方向と垂直な方向の両側は、それぞれが素子１１Ａと密着するように配設された電極１２Ａにより挟まれている。素子１１Ａの両側の電極１２Ａの一方は、スイッチ１３Ａを介して、負極が接地された正方向駆動用電源６Ａの正極端子と接続されている。素子１１Ａの両側の電極１２Ａの他方は接地されている。また、素子１１Ａの両側の電極１２Ａの少なくとも一方は、素子１１Ａが変形したときにも両方の電極１２Ａが素子１１Ａとの密着状態を保つように、移動可能に設けられている。
【００２４】
また、逆方向駆動源部２Ｂの素子１１Ｂは、列に並ぶ方向の両側を絶縁板１５Ｂにより挟まれている。そして、列に並ぶ方向と垂直な方向の両側は、それぞれが素子１１Ｂと密着するように配設された電極１２Ｂにより挟まれている。素子１１Ｂの両側の電極１２Ｂの一方は、スイッチ１３Ｂを介して、負極が接地された逆方向駆動用電源６Ｂの正極端子と接続されている。素子１１Ｂの両側の電極１２Ｂの他方は接地されている。また、素子１１Ｂの両側の電極１２Ｂの少なくとも一方は、素子１１Ｂが変形したときにも両方の電極１２Ｂが素子１１Ｂとの密着状態を保つように、移動可能に設けられている。
【００２５】
なお、図３の例においては、素子１１Ａおよび１１Ｂの両方に、接地された電極と正電位の電極とによる電界を印加するものとしているが、素子１１Ａおよび１１Ｂの一方には接地された電極と負電位の電極とによる電界を印加するものとしてもよい。また、素子１１Ａおよび１１Ｂの両方に接地された電極と負電位の電極とによる電界を印加するものとしてもよい。また、電極が接地されていることも必須ではなく、正電位の電極と負電位の電極とによる電界を素子１１Ａおよび１１Ｂの両方または一方に印加するものとしてもよい。以上のことは図４および図５の場合においても同様である。以上要するに、素子１１Ａおよび１１Ｂのそれぞれを間に挟む各電極の間に電位差が存在すれば、本発明の駆動装置を正常に動作させることが可能である。
【００２６】
また、電源部６の正方向駆動用電源６Ａおよび逆方向駆動用電源６Ｂは、制御部７の制御によりそれぞれ独立して電圧を調節し得るように構成されている。
【００２７】
ここで、正方向駆動源部２Ａおよび逆方向駆動源部２Ｂの全ての素子１１Ａ、１１Ｂは、対応するスイッチ１３Ａまたは１３Ｂが「オン」となると、両側の電極１２Ａまたは１２Ｂから電界が印加される。これにより、素子１１Ａ、１１Ｂは長手方向に伸張し、頂部が可動部３と接触する。対応するスイッチ１３Ａまたは１３Ｂが「オフ」となると、上記印加された電界は除去され、長手方向の長さが元の長さに戻り、各素子１１Ａ、１１Ｂの頂部は可動部３から離間する。
【００２８】
また、正方向駆動源部２Ａにおいて対応するスイッチ１３Ａが「オン」となり、素子１１Ａが長手方向に伸張して頂部が可動部３と接触すると、このときに素子１１Ａから可動部３に加わる力の正方向の成分は正となり、これにより可動部３が正方向に駆動される。一方、逆方向駆動源部２Ｂにおいて対応するスイッチ１３Ｂが「オン」となり、素子１１Ｂが長手方向に伸張して頂部が可動部３と接触すると、このときに素子１１Ｂから可動部３に加わる力の正方向の成分は負となり、言い換えれば逆方向の成分が正となり、これにより可動部３が逆方向に駆動される。
以上のように、正方向駆動源部２Ａおよび逆方向駆動源部２Ｂの全ての素子１１Ａ、１１Ｂのそれぞれは、これを挟む両側の電極１２Ａまたは１２Ｂ、基部１４Ａまたは１４Ｂ、並びに絶縁板１５Ａまたは１５Ｂとともに１つのアクチュエータを構成している。
【００２９】
次に、以上の構成の駆動装置１の動作を説明する。駆動装置１において可動部３を正方向に駆動する場合には、図６に示すように、制御部７の制御により逆方向駆動源部２Ｂのスイッチ１３Ｂは「オフ」とされる。これにより、逆方向駆動源部２Ｂの全ての素子１１Ｂは、頂部が可動部３から離間した状態となる。
【００３０】
一方、正方向駆動源部２Ａのスイッチ１３Ａは、図８に示すように、所定周期でオン・オフを繰り返すように制御される。この結果、正方向駆動源部２Ａの素子１１Ａは、スイッチ１３Ａが「オン」となったときに長手方向に伸張し、頂部が可動部３と接触して、可動部３を正方向に駆動し、スイッチ１３が「オフ」となったときに上記伸張が解除されて元の長さに戻ることを繰り返す。これにより、可動部３が正方向に移動していく。
【００３１】
逆に、駆動装置１において可動部３を逆方向に駆動する場合には、図７に示すように、正方向駆動源部２Ａのスイッチ１３Ａは「オフ」とされる。これにより、正方向駆動源部２Ａの全ての素子１１Ａは、頂部が可動部３から離間した状態となる。
【００３２】
一方、逆方向駆動源部２Ｂのスイッチ１３Ｂは、図８に示したように、所定周期でオン・オフを繰り返すように制御される。この結果、逆方向駆動源部２Ｂの素子１１Ｂは、スイッチ１３Ｂが「オン」となったときに長手方向に伸張し、頂部が可動部３と接触して、可動部３を逆方向に駆動し、スイッチ１３が「オフ」となったときに上記伸張が解除されて元の長さに戻ることを繰り返す。これにより、可動部３が逆方向に移動していく。
【００３３】
ここで、可動部３の移動速度は、正方向駆動源部２Ａのスイッチ１３Ａまたは逆方向駆動源部２Ｂのスイッチ１３Ｂのオン・オフを繰り返す周期を調節することにより増減される。より具体的には、可動部３の移動速度を速くする場合は、オン・オフされる正方向駆動源部２Ａのスイッチ１３Ａまたは逆方向駆動源部２Ｂのスイッチ１３Ｂのオン・オフの周期を短くする。可動部３の移動速度を遅くする場合はその周期を長くする。
【００３４】
また、可動部３の移動速度は、正方向駆動用電源６Ａまたは逆方向駆動用電源６Ｂの電圧を調節することによっても増減することができる。より具体的には、可動部３の移動速度を速くする場合は、オン・オフされる正方向駆動用電源６Ａまたは逆方向駆動用電源６Ｂの電圧を高くし、可動部３の移動速度を遅くする場合はその電圧を低くする。
なお、本実施の形態１の駆動装置、および以下の各実施の形態の駆動装置は、位置決め装置として使用することができる。
【００３５】
〈実施の形態２〉
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態２は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明し、同一の部分は説明を省略する。
【００３６】
図９に示すように、本実施の形態２においては、正方向駆動源部２Ａと逆方向駆動源部２Ｂとが、可動部３の駆動方向（図９の左右方向）と平行な１つの直線上に並ぶように配設されて、駆動源部２Ｇを構成している。
駆動源部２Ｇにより可動部３を駆動するときの制御部７の制御は実施の形態１と同様である。
【００３７】
以上のように、正方向駆動源部２Ａと逆方向駆動源部２Ｂとを、可動部３の駆動方向と平行な１つの直線上に並ぶように配設した場合にも、実施の形態１と同様の制御により可動部３を所定方向に進退駆動することができる。
【００３８】
〈実施の形態３〉
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態３を説明する。実施の形態３は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明し、同一の部分は説明を省略する。
【００３９】
図１０に示すように、本実施の形態３においては、正方向駆動源部２Ｃおよび逆方向駆動源部２Ｄは、素子１１が列に並ぶ方向とは垂直な方向におけるそれぞれの素子１１の両側に電極１２が配され、それぞれの素子１１の上記列に並ぶ方向の両側には絶縁体１５が配されている。それぞれの素子１１の両側の電極１２の一方の電極１２はスイッチ１３Ａまたは１３Ｂを介して、負極が接地された正方向駆動用電源６Ａまたは逆方向駆動源部６Ｂの正極端子と接続される。他方の電極１２は接地される。
【００４０】
そして、それぞれの素子１１の両側の電極１２の一方の電極（例えば正方向駆動用電源６Ａまたは逆方向駆動源部６Ｂの正極端子と接続された方の電極１２）は、素子１１に向かってスプリング１７により付勢され、他方の電極１２は基部１４（図示省略している）に固定されている。
【００４１】
このように、本実施の形態においては、それぞれの素子１１と、その両側の電極１２と、基部１４と、スプリング１７とが１つのアクチュエータを構成している。
【００４２】
以上の構成の正方向駆動源部２Ｃおよび逆方向駆動源部２Ｄを実施の形態１または実施の形態２におけると同様に配置し、実施の形態１におけると同様に正方向駆動源部２Ｃおよび逆方向駆動源部２Ｄを制御することにより、可動部３を駆動することができる。
【００４３】
このように、素子１１を間に挟んで対向配置される一対の電極１２の少なくとも一方の電極１２を素子１１に向かって付勢するものとしているのは、電界の印加およびその除去により素子１１が変形したときにも、素子１１と密着するように配設された電極１２が素子１１から離間するのをより確実に防止するためである。これにより、駆動装置の動作の安定化を図ることができる。
【００４４】
なお、図１０の例においても、素子１１を間に挟んで対向配置される電極１２の間に所定の電位差さえ存在すれば、各電極１２がどのような電位とされてもよいことは実施の形態１と同様である。
【００４５】
〈実施の形態４〉
次に、図１１および図１２を参照して、本発明の実施の形態４を説明する。実施の形態４は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明し、同一の部分は説明を省略する。
【００４６】
図１１に示すように、本実施の形態４においては、駆動源部２Ｈは、可動部３を正方向に駆動するグループの素子１１Ａと、可動部３を逆方向に駆動するグループの素子１１Ｂとの両方を含んでいる。
可動部３を正方向に駆動するグループの素子１１Ａは、長手方向が、可動部３の駆動方向と垂直な方向から正方向に傾いて、上記駆動方向と斜めに交わるように配設されている。また、可動部３を逆方向に駆動するグループの素子１１Ｂは、長手方向が、可動部３の駆動方向と垂直な方向から逆方向に傾いて、上記駆動方向と斜めに交わるように配設されている。
【００４７】
上記２つのグループの素子１１Ａおよび１１Ｂは、可動部３の駆動方向と平行な方向に１列に交互に並ぶように設けられる。素子１１Ａの上記列の方向の両側には絶縁板１５Ａが配される。また、素子１１Ａの上記列の方向と垂直な方向の両側には電極１２Ａが配される。両側に配された電極１２Ａの一方の電極１２Ａは、負極が接地された正方向駆動用電源６Ａの正極端子とスイッチ１３Ａを介して接続される。他方の電極１２Ａは接地される。
【００４８】
一方、素子１１Ｂの上記列の方向の両側には絶縁板１５Ｂが配される。また、素子１１Ｂの上記列の方向と垂直な方向の両側には電極１２Ｂが配される。両側に配された電極１２Ｂの一方の電極１２Ｂは、負極が接地された逆方向駆動用電源６Ｂの正極端子とスイッチ１３Ｂを介して接続される。他方の電極１２Ｂは接地される。上記２つのスイッチ１３Ａおよび１３Ｂが「オフ」であるときにはいずれの素子１１Ａ、１１Ｂにも電界は印加されず、素子１１Ａおよび１１Ｂの頂部はいずれも可動部３から離間した状態となっている。そして、素子１１Ａ、１１Ｂ並びに電極１２Ａ、１２Ｂは１つの板状の基部１４Ｃの一方の面に設けられる。
【００４９】
正方向駆動用電源６Ａの正極端子と電極１２Ａとを接続する接続ラインに設けられたスイッチ１３Ａを「オン」とすると、素子１１Ａに電界が印加され、素子１１Ａが長手方向に伸張して、素子１１Ａの頂部が可動部３と接触し、可動部３が正方向に駆動される。一方、逆方向駆動用電源６Ｂの正極端子と電極１２Ｂとを接続する接続ラインに設けられたスイッチ１３Ｂを「オン」とすると、素子１１Ｂに電界が印加され、素子１１Ｂが長手方向に伸張して、素子１１Ｂの頂部が可動部３と接触し、可動部３が逆方向に駆動される。
【００５０】
次に、以上の構成の本実施形態装置の動作を説明する。
可動部３を正方向に駆動する場合には、図１２に示すように、逆方向駆動用電源６Ｂの正極端子と極板１２Ｂとの間に設けられたスイッチ１３Ｂを「オフ」とする一方、正方向駆動用電源６Ａの正極端子と極板１２Ａとの間に設けられたスイッチ１３Ａのオン・オフを、図８により示したように、所定周期で繰り返すように制御する。
【００５１】
一方、可動部３を逆方向に駆動する場合には、正方向駆動用電源６Ａの正極端子と極板１２Ａとの間に設けられたスイッチ１３Ａを「オフ」とする一方、逆方向駆動用電源６Ｂの正極端子と極板１２Ｂとの間に設けられたスイッチ１３Ｂのオン・オフを、図８により示したように、所定周期で繰り返すように制御する。
【００５２】
このように、本発明においては、駆動源部２Ｈに、可動部３を正方向に駆動する素子１１Ａと、可動部３を逆方向に駆動する素子１１Ｂとを１列に並ぶように交互に設けた構成とした場合にも、実施の形態１と同様の制御により可動部３を所定方向に進退駆動することができる。
【００５３】
なお、本実施の形態においても、素子１１Ａ、１１Ｂを間に挟んで対向配置される電極１２Ａ、１２Ｂの間に所定の電位差さえ存在すれば、各電極１２Ａ、１２Ｂがどのような電位とされてもよいことは実施の形態１におけると同様である。
【００５４】
〈実施の形態５〉
次に、図１３〜図１５を参照して、本発明の実施の形態５を説明する。実施の形態５は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明し、同一の部分は説明を省略する。
【００５５】
図１３に示すように、本実施の形態５においては、駆動源部は、実施の形態１と同様に、可動部３を正方向に駆動する正方向駆動源部２Ｅと、可動部３を逆方向に駆動する逆方向駆動源部２Ｆとを含んでいる。
正方向駆動源部２Ｅおよび逆方向駆動源部２Ｆにおいては、基部１４Ａ、１４Ｂに代えて電極１２Ｃまたは１２Ｄの上に、素子１１Ａまたは１１Ｂが、実施の形態１および２におけると同様にして、長手方向が駆動方向に対して斜めとなるように設けられている。
【００５６】
正方向駆動源部２Ｅの電極１２Ｃは、スイッチ１３Ａを介して、負極が接地された正方向駆動用電源６Ａの正極端子と接続されている。また、逆方向駆動源部２Ｆの電極１２Ｄは、スイッチ１３Ｂを介して、負極が接地された逆方向駆動用電源６Ｂの正極端子と接続されている。
【００５７】
正方向駆動源部２Ｅおよび逆方向駆動源部２Ｆのそれぞれにおいては、素子１１Ａ、１１Ｂが、可動部３の駆動方向と平行な方向に列をなすように、互いに平行に並んでいる。また、それぞれの素子１１Ａ、１１Ｂの上記列の方向の両側には絶縁板１５Ａまたは１５Ｂが配されている。また、図示はされていないが、それぞれの素子１１Ａ、１１Ｂの上記列の方向と垂直な方向の両側にも絶縁板が配設されている。そして、それぞれの素子１１Ａ、１１Ｂの頂部には、接地された電極１２Ｅまたは１２Ｆが載置されている。
【００５８】
次に、図１４および図１５を参照して、ＥＲゲルから構成された本実施の形態のアクチュエータの作動原理を説明する。図１４は、ＥＲゲルに電界が印加された状態を示す、ＥＲゲルを素子として使用したアクチュエータのモデルの正面図である。図１５は、ＥＲゲルに電界が印加されていない状態を示す、ＥＲゲルを素子として使用したアクチュエータのモデルの正面図である。
【００５９】
図１４に示すように、ＥＲ粒子２１を分散したＥＲゲルを角柱状に成形してなる素子１１は、一方の幅方向の両側が一対の絶縁板１５により挟まれている。また、図示はされていないが、素子１１の他方の幅方向の両側も一対の絶縁板により挟まれている。
そして、素子１１および各絶縁板は板状の一方の電極１２の上に固定されており、素子１１の上には他方の電極１２が載置されている。この構成により、素子１１の長手方向に電界を印加すると、ＥＲ粒子２１は電界の方向に分極する。分極した各ＥＲ粒子２１は分極した方向（電界の方向）に互いに引きつけ合う。ＥＲ粒子２１が電界の方向に互いに引きつけ合うと、ＥＲ粒子２１が分散されたＥＲゲルからなる素子１１は、長手方向に縮む。
一方、図１５に示すように、上記印加した電界を除去すると、素子１１は、長手方向の長さが元の長さに戻る。
【００６０】
上述した作動原理により、正方向駆動源部２Ｅおよび逆方向駆動源部２Ｆのスイッチ１３Ａまたは１３Ｂが「オン」となると、それぞれの素子１１Ａ、１１Ｂは長手方向に電界が印加され、長手方向に収縮する。このとき、それぞれの素子１１Ａ、１１Ｂの頂部は可動部３から離間している。
一方、正方向駆動源部２Ｅおよび逆方向駆動源部２Ｆのスイッチ１３Ａまたは１３Ｂが「オフ」となると、それぞれの素子１１Ａ、１１Ｂの長手方向の長さは元の長さに戻る。このとき、それぞれの素子１１Ａ、１１Ｂの頂部は可動部３と接触する。
【００６１】
次に、以上の構成の本実施形態装置の動作を説明する。
可動部３を正方向に駆動する場合には、逆方向駆動用電源６Ｂと極板１２Ｄとの間に設けられたスイッチ１３Ｂを「オン」とし、逆方向駆動源部２Ｆの素子１１Ｂの頂部を可動部３から離間させる一方、正方向駆動用電源６Ａと極板１２Ｃとの間に設けられたスイッチ１３Ａのオン・オフを、図８により示したように、所定周期で繰り返すように制御する。
また、可動部３を逆方向に駆動する場合には、正方向駆動用電源６Ａと極板１２Ｃとの間に設けられたスイッチ１３Ａを「オン」とし、正方向駆動源部２Ｅの素子１１Ａの頂部を可動部３から離間させる一方、逆方向駆動用電源６Ｂの正極端子と極板１２Ｄとの間に設けられたスイッチ１３Ｂのオン・オフを、図８により示したように、所定周期で繰り返すように制御する。
【００６２】
このように、本発明においては、素子１１Ａ、１１Ｂの長手方向に電界を印加するものとした場合にも、電界の印加により長手方向に収縮した素子１１が元の長さに戻るときの力を利用して可動部３を所定方向に進退駆動することができる。
【００６３】
なお、本実施の形態においても、素子１１Ａ、１１Ｂを間に挟んで対向配置される一対の電極１２Ｃと１２Ｅ、または１２Ｄと１２Ｆとの間に所定の電位差さえ存在すれば、各電極がどのような電位とされてもよいことは実施の形態１におけると同様である。以上のことは図１４および図１５の場合においても同様である。
【００６４】
〈実施の形態６〉
次に、図１６〜図１８を参照して、本発明の実施の形態６を説明する。実施の形態６は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明し、同一の部分は説明を省略する。
【００６５】
図１６に示すように、本実施の形態６においては、駆動源２Ｉは、板状の基部１４Ｄの一方の面に垂直に立設された複数の素子１１Ｃを含んでいる。それぞれの素子１１Ｃは、側面が長方形である角柱形状にＥＲゲルを成形したものであり、可動部３の駆動方向と平行な方向に列をなすように並んでいる。
【００６６】
それぞれの素子１１Ｃの上記列の方向の両側には、絶縁板１５Ｃが配されている。また、それぞれの素子１１Ｃの上記列の方向と垂直な方向の両側には電極１２Ｇが配されている。両側に配された電極１２Ｇの一方は、負極が接地された駆動用電源６Ｃの正極端子とスイッチ１３Ｃ、１３Ｄおよび１３Ｅのいずれかを介して接続される。電極１２Ｇの他方は接地される。そして、全ての素子１１Ｄ、電極１２Ｇ、並びに絶縁板１５Ｃは、１つの板状の基部１４Ｄの一方の面に設けられている。
【００６７】
制御部７は、図１７および図１８に示すように、スイッチ１３Ｃ〜１３Ｅを所定周期且つ所定の位相差の下で順次オン・オフするように制御を行う。なお、上述したとおり、本実施の形態においては、電源部は駆動用電源６Ｃのみから構成されている。
【００６８】
次に、以上の構成の本実施形態装置の動作を説明する。
可動部３を正方向に駆動する場合には、図１７に示すように、正方向における後側の素子１１Ｃに対応するスイッチから所定の位相差で順次オン・オフの繰り返しを開始するように制御を行う。図示例によれば、スイッチ１３Ｃ、１３Ｄおよび１３Ｅが、この順にオン・オフの繰り返しを開始するように制御を行う。このように制御することで、正方向における後側の素子１１Ｃから所定の時間差で頂部が順次可動部３と当接することが繰り返される。これにより、可動部３が正方向に駆動される。
【００６９】
また、可動部３を逆方向に駆動する場合には、図１８に示すように、逆方向における後側の素子１１Ｃに対応するスイッチから所定の位相差で順次オン・オフの繰り返しを開始するように制御を行う。図示例によれば、スイッチ１３Ｃ、１３Ｄおよび１３Ｅが、これとは逆の順にオン・オフの繰り返しを開始するように制御を行う。このように制御することで、逆方向における後側の素子１１Ｃから所定の時間差で頂部が順次可動部３と当接することが繰り返される。これにより、可動部３が逆方向に駆動される。
【００７０】
以上のように、素子１１Ｃの長手方向が可動部３の駆動方向と垂直となるように素子１１を配設した場合にも、所定の周期且つ所定の位相差の下で各素子１１Ｃに電界を間欠的に印加するものとすることによって可動部３を所定方向に進退駆動することが可能となる。
【００７１】
なお、本実施の形態においても、素子１１Ｃを間に挟んで対向配置される一対の電極１２Ｇの間に所定の電位差さえ存在すれば、各電極がどのような電位とされてもよいことは実施の形態１におけると同様である。
【００７２】
〈実施の形態７〉
次に、図１９〜図２３を参照して、本発明の実施の形態７を説明する。図１９は、本発明の実施の形態７に係る駆動装置の概略構成を示す斜視図である。図２０は、駆動装置の駆動源部の詳細を示す、上記駆動装置の側面図である。図２１は、駆動装置の制御系統および電力系統の詳細を示す回路図である。図２２および図２３は、制御部によるスイッチのオン・オフの制御動作を示すグラフである。
【００７３】
図１９に示すように、駆動装置１Ａは、複数のアクチュエータを含む駆動源部２Ｊと、駆動源部２Ｊにより回転されて所定方向に進退するよう直線的に駆動される丸軸状の可動部３Ａと、可動部３Ａの位置に応じた信号を出力するリニア・エンコーダ４と、可動部３Ａを回転可能且つ軸方向に進退可能に支持するとともに、リニア・エンコーダ４を支持する支持部５Ａと、駆動源部２Ｊに直流電力を供給する電源部６Ｄと、駆動源部２Ｊおよび電源部６Ｄを制御する制御部７とを備えている。
【００７４】
ここで、可動部３Ａは、周面に雄ねじ２５が形成されている。支持部５Ａは、可動部３Ａの雄ねじ２５と螺合する図示しない雌ねじが形成されたねじ孔２６を有しており、可動部３Ａが軸周りに回転すると、回転の向きに応じて図１９の右方向あるいは左方向に移動する。説明の便宜上、図１９の右方向を正方向、左方向を逆方向と規定し、図２０において可動部３Ａが時計回りに回転したときに可動部３Ａは正方向に移動し、反時計回りに回転したときに逆方向に移動するものとして以下の説明を行う。
【００７５】
駆動源部２Ｊは、図２０および図２１に示すように、可動部３Ａの周りに所定の角度ピッチ（図示例では９０度ピッチ）で配設される、複数（図示例では４つ）の素子１１Ｄを含んでいる。素子１１Ｄは、ＥＲゲルを、側面が長方形である角柱形状に成形したものであり、それぞれの１つの幅方向の両側には電界を印加するための電極１２Ｉが配されている。また、図示はされていないが、それぞれの素子１１Ｄの他の１つの幅方向（紙面に垂直な方向）の両側には絶縁板が配置されている。また、それぞれの素子１１Ｄとその両側の電極１２Ｉとは、素子１１Ｄの長手方向が可動部３Ａの９０度毎の径方向と平行になるように板状の基部１４Ｅにそれぞれ立設されている。このように、それぞれの素子１１Ｄと、その両側の電極１２Ｉおよび絶縁板と、基部１４Ｅとの各組が、複数のアクチュエータ１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃおよび１７Ｄを構成している。
【００７６】
また、複数のアクチュエータ１７Ａ〜１７Ｄのそれぞれの素子１１Ｄの両側の電極１２Ｉの一方は、図２１に示すスイッチ１３Ｆ〜１３Ｉのいずれかを介して、負極が接地された電源６Ｆ〜６Ｉのいずれかの正極端子とそれぞれ接続されている。また、それぞれの素子１１Ｄの両側の電極１２Ｉの他方は接地されている。このように本実施の形態においては、電源６Ｆ〜６Ｉが電源部６Ｊを構成している。
【００７７】
そして、スイッチ１３Ｆ〜１３Ｉのいずれかを「オン」とすることによりアクチュエータ１７Ａ〜１７Ｄのいずれかの素子１１Ｄに電界が印加され、当該アクチュエータの素子１１Ｄが長手方向に伸張してその頂部が可動部３Ａと接触する。一方、上記電界が除去されると当該アクチュエータの素子１１Ｄの長手方向の伸張が解除されて、その頂部は可動部３Ａから離間される。制御部７は、図２２および図２３に示すように、スイッチ１３Ｆ〜１３Ｉを所定周期且つ所定の位相差の下で順次オン・オフするように制御を行う。
【００７８】
以下、スイッチ１３Ｆが「オン」となるとアクチュエータ１７Ａの素子１１Ｄに電界が印加され、スイッチ１３Ｇが「オン」となるとアクチュエータ１７Ｂの素子１１Ｄに電界が印加され、スイッチ１３Ｈが「オン」となるとアクチュエータ１７Ｃの素子１１Ｄに電界が印加され、スイッチ１３Ｉが「オン」となるとアクチュエータ１７Ｄの素子１１Ｄに電界が印加されるように、配線がなされているものとして、本実施の形態の駆動装置の動作を説明する。
【００７９】
可動部３Ａを正方向に駆動する場合には、図２２に示すように、スイッチ１３Ｆ、１３Ｇ、１３Ｈ、および１３Ｉがこの順に所定の位相差で順次オン・オフの繰り返しを開始するように制御する。このように制御することで、アクチュエータ１７Ａ〜１７Ｄは、図２０における時計回りに順次頂部が可動部３Ａの周面と当接していく。これにより、可動部３は図２０における時計回りに回転し、その結果、正方向に駆動される。
【００８０】
一方、可動部３Ａを逆方向に駆動する場合には、図２３に示すように、スイッチ１３Ｆ、１３Ｇ、１３Ｈ、および１３Ｉがこれとは逆の順に所定の位相差で順次オン・オフの繰り返しを開始するように制御する。このように制御することで、アクチュエータ１７Ａ〜１７Ｄは、図２０における反時計回りに順次頂部が可動部３Ａの周面と当接していく。これにより、可動部３は図２０における反時計回りに回転し、その結果、逆方向に駆動される。また、可動部３の回転速度は、前記各スイッチ１３Ｆ、１３Ｇ、１３Ｈ、および１３Ｉをオン・オフする周期を変更するか、または電源６Ｆ〜６Ｉの電圧値を変更することにより調節することが可能である。
【００８１】
以上のように、ＥＲゲルからなる素子１１Ｄにより丸軸状の可動部を回転するように駆動することも可能であり、その回転により可動部を軸方向に駆動することも可能である。
【００８２】
なお、本実施の形態においても、素子１１Ｄを間に挟んで対向配置される一対の電極１２Ｉの間に所定の電位差さえ存在すれば、各電極がどのような電位とされてもよいことは実施の形態１におけると同様である。
【００８３】
また、上記各実施の形態においては、ＥＲゲルに印加する電場の大きさは、実機における絶縁の困難性を考慮して、３ＫＶ／ｍｍ以下とするのが望ましい。このような電場を印加することで、μオーダでのＥＲゲルの収縮が発生し、上記各実施の形態により開示したような駆動動作を安定して実現することができる。
以上、本発明を実施の形態により説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、上記各実施の形態においては、１軸方向の駆動のみとしたが、上記実施の形態のいずれかの駆動装置を２つ以上組み合わせることによって、２軸、３軸の駆動装置を実現することも可能である。
また、アクチュエータの素子はＥＲゲルに限らず、ピエゾ素子を用いても同様の効果を得ることができる。ピエゾ素子においても、電界を印加されたときおよびその電界を除去されたときの挙動は、ＥＲゲルとほぼ同じだからである。
【００８４】
ただし、圧電素子においては、熱による膨張がＥＲゲルよりも大きいために、より厳格な温度管理が必要となる。この点、ＥＲゲルをアクチュエータの素子として使用することによって、温度管理を簡単にすることができる。
【００８５】
また、スイッチをオン・オフする周波数が１００Ｈｚを超えると、圧電素子においては発熱が大きくなり、素子の破壊に至る危険性が増大する。したがって、圧電素子を使用する場合には冷却手段が必要となる。一方、ＥＲゲルを使用する場合には、より大きな周波数に達するまでそのような冷却手段は不要となる。
【００８６】
また、圧電効果は温度が１度下がる毎に０．２％減少することから、絶対零度に近い極低温の温度領域においては、常温に比べて圧電効果は約３０％低下する。これに対して、ＥＲゲルは絶対零度に近い極低温の温度領域においても効率は低下しない。したがって、ＥＲゲルをアクチュエータの素子として使用することによって、極低温の環境下でも動作する駆動装置を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の駆動装置によれば、ＥＲゲルなどの比較的変形の小さい素子を使用して、変位量の大きい駆動装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る駆動装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１の装置を、駆動源部が設けられた側から見た側面図である。
【図３】駆動源部の正方向駆動源部および逆方向駆動源部をそれぞれ側方および上方から見た二面図である。
【図４】同装置のＥＲゲルに電界が印加されていない状態を示す、ＥＲゲルを素子として使用したアクチュエータのモデルの正面図である。
【図５】同装置のＥＲゲルに電界が印加された状態を示す、ＥＲゲルを素子として使用したアクチュエータのモデルの正面図である。
【図６】図３の装置の可動部を正方向に駆動するときの駆動源部の状態を模式的に示す二面図である。
【図７】可動部を逆方向に駆動するときの駆動源部の状態を模式的に示す二面図である。
【図８】駆動源部のスイッチをオン・オフする制御の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態２に係る駆動装置を、駆動源部が設けられた側から見た側面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る駆動装置の駆動源部の概略構成を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態４に係る駆動装置の駆動源部の正方向駆動源部および逆方向駆動源部をそれぞれ側方および上方から見た二面図である。
【図１２】図１１の装置の動作例を示す二面図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係る駆動装置の駆動源部の概略構成を示す側面図である。
【図１４】同装置のＥＲゲルに電界が印加されていない状態を示す、ＥＲゲルを素子として使用したアクチュエータのモデルの正面図である。
【図１５】同装置のＥＲゲルに電界が印加された状態を示す、ＥＲゲルを素子として使用したアクチュエータのモデルの正面図である。
【図１６】本発明の実施の形態６に係る駆動装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。
【図１７】同装置の駆動源部のスイッチをオン・オフする制御の一例を示すグラフである。
【図１８】同装置の駆動源部のスイッチをオン・オフする制御の別の一例を示すグラフである。
【図１９】本発明の実施の形態７に係る駆動装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２０】同装置の駆動源部の概略構成を示す側面図である。
【図２１】同装置の制御系のブロック図である。
【図２２】同装置の駆動源部のスイッチをオン・オフする制御の一例を示すグラフである。
【図２３】同装置の駆動源部のスイッチをオン・オフする制御の別の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８９】
１      駆動装置
２      駆動源部
３      可動部
６      電源部
７      制御部
１１      素子
１２      電極
１３      スイッチ
１４      基部
【図１】
2010074900.tif 000003
【図２】
2010074900.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010074900.tif 000006
【図５】
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【図６】
2010074900.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
2010074900.tif 000011
【図１０】
2010074900.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2010074900.tif 000015
【図１４】
2010074900.tif 000016
【図１５】
2010074900.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2010074900.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2010074900.tif 000021
【図２０】
2010074900.tif 000022
【図２１】
2010074900.tif 000023
【図２２】
2010074900.tif 000024
【図２３】
2010074900.tif 000025