(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動要素から伝達された動力を被駆動要素に伝達する動力伝達装置であって、
変更可能な剛性を有し、且つ前記駆動要素からの動力が伝達されると共に該動力を前記被駆動要素に伝達する第１要素と、
変更可能な粘性係数を有し、且つ前記駆動要素からの動力が伝達されると共に該動力を前記被駆動要素に伝達する第２要素と、
前記第１要素の剛性を変更する第１変更部と、
前記第２要素の粘性係数を変更する第２変更部とを備え、
前記第１要素の剛性及び前記第２要素の粘性係数を変更することで、前記被駆動要素に動力を伝達する伝達状態と、該伝達を断つ非伝達状態とを切替可能に構成され、
前記駆動要素に動力を伝達する駆動源と、
前記駆動源を制御すると共に、前記第１要素の剛性及び前記第２要素の粘性係数を変更するように制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記駆動源を正常に制御できるか否かを判定する第１判定手段と、
前記伝達状態か否かを判定する第２判定手段とを備え、
前記第１判定手段の判定結果が否定的であるとき、前記非伝達状態となるように制御し、
前記第１判定手段の判定結果が肯定的であり且つ前記第２判定手段の判定結果が否定的であるとき、前記被駆動要素の変位と前記駆動要素の変位との差が所定の値以下となるように前記駆動源を制御し、
前記第１判定手段の判定結果が肯定的であり且つ前記第２判定手段の判定結果が肯定的であるとき、前記被駆動要素に伝達される動力を制御することを特徴とする動力伝達装置。
【請求項２】
駆動要素から伝達された動力を被駆動要素に伝達する動力伝達装置であって、
変更可能な剛性を有し、且つ前記駆動要素からの動力が伝達されると共に該動力を前記被駆動要素に伝達する第１要素と、
変更可能な粘性係数を有し、且つ前記駆動要素からの動力が伝達されると共に該動力を前記被駆動要素に伝達する第２要素と、
前記第１要素の剛性を変更する第１変更部と、
前記第２要素の粘性係数を変更する第２変更部とを備え、
前記第１要素の剛性及び前記第２要素の粘性係数を変更することで、前記被駆動要素に動力を伝達する伝達状態と、該伝達を断つ非伝達状態とを切替可能に構成され、
前記第１要素及び前記第２要素は、筒状又は柱状に形成された共通の導電性高分子アクチュエータからなり、
前記第１変更部及び前記第２変更部は、前記導電性高分子アクチュエータに電圧を印加する電圧印加部として構成され、
前記導電性高分子アクチュエータの外壁には凸部が設けられ、
前記導電性高分子アクチュエータは、前記電圧印加部から電圧が印加されると、当該導電性高分子アクチュエータの長さ方向に縮小し、印加電圧が所定の電圧以上であるとき、前記凸部が前記被駆動要素に接触するように構成されていることを特徴とする動力伝達装置。
【請求項３】
駆動要素から伝達された動力を被駆動要素に伝達する動力伝達装置であって、
変更可能な剛性を有し、且つ前記駆動要素からの動力が伝達されると共に該動力を前記被駆動要素に伝達する第１要素と、
変更可能な粘性係数を有し、且つ前記駆動要素からの動力が伝達されると共に該動力を前記被駆動要素に伝達する第２要素と、
前記第１要素の剛性を変更する第１変更部と、
前記第２要素の粘性係数を変更する第２変更部とを備え、
前記第１要素の剛性及び前記第２要素の粘性係数を変更することで、前記被駆動要素に動力を伝達する伝達状態と、該伝達を断つ非伝達状態とを切替可能に構成され、
前記第１要素及び前記第２要素は、筒状又は柱状に形成された共通の導電性高分子アクチュエータからなり、
前記第１変更部及び前記第２変更部は、前記導電性高分子アクチュエータに電圧を印加する電圧印加部として構成され、
前記被駆動要素は、前記導電性高分子アクチュエータの一端に接続され、
前記導電性高分子アクチュエータは、前記電圧印加部から電圧が印加されると、当該導電性高分子アクチュエータの長さ方向に縮小し、印加電圧が所定の電圧以上であるとき、前記被駆動要素を前記駆動要素に接触させるように構成されていることを特徴とする動力伝達装置。
【請求項４】
駆動要素から伝達された動力を被駆動要素に伝達する動力伝達装置であって、
変更可能な剛性を有し、且つ前記駆動要素からの動力が伝達されると共に該動力を前記被駆動要素に伝達する第１要素と、
変更可能な粘性係数を有し、且つ前記駆動要素からの動力が伝達されると共に該動力を前記被駆動要素に伝達する第２要素と、
前記第１要素の剛性を変更する第１変更部と、
前記第２要素の粘性係数を変更する第２変更部とを備え、
前記第１要素の剛性及び前記第２要素の粘性係数を変更することで、前記被駆動要素に動力を伝達する伝達状態と、該伝達を断つ非伝達状態とを切替可能に構成され、
前記第１変更部及び前記第２変更部は、共通のアクチュエータからなり、
前記第１要素は、前記アクチュエータの駆動によって少なくとも一部が押動されることで、当該駆動方向と直交する方向の剛性が変化する可変剛性部として構成され、
前記第２要素は、前記アクチュエータの駆動によって少なくとも一部が押動されることで、当該駆動方向と直交する方向の粘性係数が変化する可変粘性係数部として構成されていることを特徴とする動力伝達装置。
【請求項５】
請求項４に記載の動力伝達装置において、
前記アクチュエータは、筒状又は柱状に形成された圧電素子であり、
前記第１要素は、非線形ばねであり、
前記第２要素は、凸部が設けられた第３要素と、前記凸部の形状に沿う凹部が設けられ該凹部に粘性液を充填した第４要素とを備え、
前記駆動要素から前記第３要素と前記第４要素とのうちの一方に動力が伝達され、
前記第３要素と前記第４要素とのうちの他方から前記被駆動要素に動力が伝達され、
前記第２要素は、前記圧電素子の駆動により、前記凸部が前記粘性液と接触する面積が大きくなるように構成されていることを特徴とする動力伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動要素から伝達された動力を被駆動要素に伝達する動力伝達装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットには、障害物に接触したとき等、ロボットに衝撃が加えられたときであっても、ロボットが損傷しないようにするため、動力伝達要素としてロボットのリンク間に配置される関節が柔軟であることが望まれる。
【０００３】
このような事情を鑑みて、ロボットの駆動要素と被駆動要素との間に、弾性部材を配置したアクチュエータが知られている（特許文献１）。弾性部材の弾性によって、駆動要素又は被駆動要素に衝撃が生じた場合であっても、被駆動要素又は駆動要素に対して、この衝撃が直接的に伝達されることを防止している。このように、関節に柔軟性を持たせたときには、制御応答性を向上させることで制御対象（例えば、関節の動き等）が発振しやすくなる。そこで、各種センサ等によって検知された情報に基づいてフィードバック制御をすることで、発振を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許５６５０７０４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、各種センサ等が異常な状態であるような場合においては、適切なフィードバック制御が行えず、ひいては発振を適切に抑制できない可能性がある。そこで、関節に粘性を持たせることで、フィードバック制御による発振の抑制ができないような場合であっても、発振を抑制することが考えられる。
【０００６】
一方、精密な作動をさせたい場合のように、関節が固い状態の方が望ましい場合もある。すなわち、関節の剛性を変化させることができると、様々な状況に対して適切な制御ができる。このような要望に対応するために、弾性部材として非線形ばねのような剛性を変化可能な部材を用いることが考えられる。
【０００７】
しかしながら、一般に、ばね−ダンパ系において、以下の関係式が知られている。
【０００８】
【数１】
0006006965.tif 000002
【０００９】
ここで、ｈは減衰定数、ωは角振動数、ｋは弾性係数、ｍは負荷の質量、Ｃは粘性係数である。
【００１０】
式(1)より、負荷の質量ｍ、粘性係数Ｃを一定としたとき、弾性部材の弾性（ひいては剛性）を表す弾性係数ｋを変化させると、減衰定数ｈが変化することとなる。減衰定数ｈは、振動している負荷が収束する過程における当該振動の減衰率を表わすものである。
【００１１】
制御処理は、予め決められた周期毎に処理が実行される。このため、前回の制御周期の負荷の振動から、現時点の制御周期の負荷の振動を予測できる方が、制御処理を簡単にできる。すなわち、減衰率（ひいては減衰定数ｈ）は、変化するよりも一定にした方が制御処理を簡単にできる。従って、式(1)において、減衰定数ｈを一定にする場合、負荷の質量ｍは一定であるので、弾性ｋの変化に応じて粘性係数Ｃを変化させる必要がある。
【００１２】
このように、関節に弾性のみならず粘性を持たせる場合においては、剛性を変化させるだけではなく、粘性係数Ｃも変化させることが望まれる。なお、減衰定数ｈは、制御を簡単にできる範囲であれば値が変動しても問題はない。
【００１３】
本発明は、上記の関節のような動力伝達要素の剛性を変更可能にすると共に粘性を持たせた場合において、制御対象の発振を効果的に抑制可能な動力伝達装置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】
【００１４】
本発明は、駆動要素から伝達された動力を被駆動要素に伝達する動力伝達装置であって、変更可能な剛性を有し、且つ前記駆動要素からの動力が伝達されると共に該動力を前記被駆動要素に伝達する第１要素と、変更可能な粘性係数を有し、且つ前記駆動要素からの動力が伝達されると共に該動力を前記被駆動要素に伝達する第２要素と、前記第１要素の剛性を変更する第１変更部と、前記第２要素の粘性係数を変更する第２変更部とを備え、前記第１要素の剛性及び前記第２要素の粘性係数を変更することで、前記被駆動要素に動力を伝達する伝達状態と、該伝達を断つ非伝達状態とを切替可能に構成されている（前提構成）。
【００１５】
第１発明によれば、駆動要素の動力は、第１要素及び第２要素を介して被駆動要素に伝達される。すなわち、駆動要素と被駆動要素との間の動力伝達経路上に、動力伝達要素として粘性を有する第２要素を備えるので、被駆動要素の制御時において、機械的に被駆動要素の振動を収束させることができる。また、第１要素は、第１変更部によって剛性を変更できるので、状況に応じて被駆動要素を柔軟に制御することができる。
【００１６】
また、第２要素は、第２変更部によって粘性係数を変更できるので、例えば、第１変更部によって剛性が変更された場合、第２変更部は、当該変更された剛性に応じて第２要素の粘性係数を変更できる。これにより、状況に応じて第１要素の剛性を変更した場合であっても、第２要素の粘性係数を変更することで、例えば、被駆動要素の振動の減衰率が大幅に変化することを抑制することができる。
【００１７】
このため、制御処理を実行するときに、前回の制御周期の負荷の振動から、現時点の制御周期の負荷の振動を予測しやすくなり、制御処理を簡単にできる。このように、剛性及び粘性係数が変更可能な動力伝達要素を用いて、その剛性及び粘性係数を適宜変更することにより、制御対象の発振を効果的に抑制できる。
更に、剛性及び粘性係数の変更によって、被駆動要素に動力が伝達されない非伝達状態に切り替わることにより、被駆動要素が機械的に駆動されることを防止できる。また、第２要素が粘性を有しているので、非伝達状態に切り替わるだけで、他に発振を抑制するための制御をすることなく、被駆動要素の発振を機械的に抑制できる。
【００１９】
前記前提構成において、前記駆動要素に動力を伝達する駆動源と、前記駆動源を制御すると共に、前記第１要素の剛性及び前記第２要素の粘性係数を変更するように制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記駆動源を正常に制御できるか否かを判定する第１判定手段と、前記伝達状態か否かを判定する第２判定手段とを備え、前記第１判定手段の判定結果が否定的であるとき、前記非伝達状態となるように制御し、前記第１判定手段の判定結果が肯定的であり且つ前記第２判定手段の判定結果が否定的であるとき、前記被駆動要素の変位と前記駆動要素の変位との差が所定の値以下となるように前記駆動源を制御し、前記第１判定手段の判定結果が肯定的であり且つ前記第２判定手段の判定結果が肯定的であるとき、前記被駆動要素に伝達される動力を制御することを特徴とする（第１発明）。
【００２１】
これにより、第１判定手段によって駆動源を正常に制御できないと判定される場合には非伝達状態になる。これにより、被駆動要素に動力が伝達されない状態となる。この状態であれば、第２要素が粘性を持っているので、駆動源の制御をしない場合であっても、被駆動要素の発振を抑制して収束できる。
【００２２】
また、通常、非伝達状態から伝達状態に遷移するときには、予め規定された被駆動要素と駆動要素との相対的な変位の差の範囲内で伝達状態にする必要があるので、被駆動要素の変位と駆動要素の変位との差を前記規定された差に近い値にしてから伝達状態にする必要がある。従って、制御手段等が、伝達状態にすると判定したときに、被駆動要素と駆動要素との相対的な変位の差が、前記規定された差よりも大きい場合には、当該相対的な変位の差が規定された差以下となるようにしてから伝達状態にする必要がある。
【００２３】
しかしながら、本発明では、制御手段が、駆動源を正常に制御でき、且つ非伝達状態のときに、被駆動要素の変位と駆動要素の変位との差が、所定の値以下となるように駆動要素を制御している。従って、制御手段等が、伝達状態にすると判定したときに、すぐに伝達状態にすることができる。ひいては、制御処理の時間を短くできる。
【００２４】
更に、第１判定手段によって駆動源を正常に制御できると判定され、且つ第２判定手段によって伝達状態であると判定されたとき、被駆動要素に伝達される動力を制御する。これにより、被駆動要素の作動を制御できる。
【００３１】
前記前提構成において、前記第１要素及び前記第２要素は、筒状又は柱状に形成された共通の導電性高分子アクチュエータからなり、前記第１変更部及び前記第２変更部は、前記導電性高分子アクチュエータに電圧を印加する電圧印加部として構成され、前記導電性高分子アクチュエータの外壁には凸部が設けられ、前記導電性高分子アクチュエータは、前記電圧印加部から電圧が印加されると、当該導電性高分子アクチュエータの長さ方向に縮小し、印加電圧が所定の電圧以上であるとき、前記凸部が前記被駆動要素に接触するように構成されていることを特徴とする（第２発明）。
【００３２】
これにより、導電性高分子アクチュエータは、電圧が印加されることで、剛性及び粘性係数が変化するので、動力伝達装置の構造を簡単にできる。
【００３３】
更に、導電性高分子アクチュエータは、電圧が印加されることで、筒状又は柱状の長さ方向に縮むように構成されている。導電性高分子アクチュエータに印加される電圧が所定の電圧以上であるとき、凸部が前記長さ方向に移動することで被駆動要素に接触する。これにより、導電性高分子アクチュエータに伝達された動力が被駆動要素に伝達される（駆動要素から被駆動要素へ動力が伝達される伝達状態となる）。
【００３４】
すなわち、導電性高分子アクチュエータに印加する電圧を所定の電圧以上にするか否かで、伝達状態と非伝達状態とを切り替えることができる。導電性高分子アクチュエータの凸部を入力側のクラッチ板とみなし、被駆動要素の該凸部と接触する部位を出力側のクラッチ板とみなした場合、凸部と被駆動要素とでクラッチ機構を実現しているとみなせる。
【００３５】
以上のように、制御手段は、導電性高分子アクチュエータに印加する電圧を制御するだけで、剛性及び粘性係数を変更できると共に、伝達状態及び非伝達状態を制御することができる。
【００３６】
前記前提構成において、前記第１要素及び前記第２要素は、筒状又は柱状に形成された共通の導電性高分子アクチュエータからなり、前記第１変更部及び前記第２変更部は、前記導電性高分子アクチュエータに電圧を印加する電圧印加部として構成され、前記被駆動要素は、前記導電性高分子アクチュエータの一端に接続され、前記導電性高分子アクチュエータは、前記電圧印加部から電圧が印加されると、当該導電性高分子アクチュエータの長さ方向に縮小し、印加電圧が所定の電圧以上であるとき、前記被駆動要素を前記駆動要素に接触させるように構成されていることを特徴とする（第３発明）。
【００３７】
これにより、導電性高分子アクチュエータは、電圧が印加されることで、剛性及び粘性係数が変化するので、動力伝達装置の構造を簡単にできる。
【００３８】
更に、導電性高分子アクチュエータは、電圧が印加されることで、筒状又は柱状の長さ方向に縮むように構成されている。導電性高分子アクチュエータは、一端が第１部材に、他端が第２部材に接続されている。従って、導電性高分子アクチュエータに印加される電圧が所定の電圧以上であるとき、第１部材が前記長さ方向に移動することで駆動要素に接触する。これにより、導電性高分子アクチュエータに伝達された動力が被駆動要素に伝達される（駆動要素から被駆動要素へ動力が伝達される伝達状態となる）。
【００３９】
すなわち、導電性高分子アクチュエータに印加する電圧を所定の電圧以上にするか否かで、伝達状態と非伝達状態とを切り替えることができる。被駆動要素の第１部材を出力側のクラッチ板とみなし、駆動要素の該第１部材と接触する部位を入力側のクラッチ板とみなした場合、駆動要素と第１部材とでクラッチ機構を実現しているとみなせる。
【００４０】
以上のように、制御手段は、導電性高分子アクチュエータに印加する電圧を制御するだけで、剛性及び粘性係数を変更できると共に、伝達状態及び非伝達状態を制御することができる。
【００４１】
前記前提構成において、前記第１変更部及び前記第２変更部は、共通のアクチュエータからなり、前記第１要素は、前記アクチュエータの駆動によって少なくとも一部が押動されることで、当該駆動方向と直交する方向の剛性が変化する可変剛性部として構成され、前記第２要素は、前記アクチュエータの駆動によって少なくとも一部が押動されることで、当該駆動方向と直交する方向の粘性係数が変化する可変粘性係数部として構成されていることを特徴とする（第４発明）。これにより、第１アクチュエータによって第１要素の剛性を変化させ第２アクチュエータによって第２要素の粘性係数を変化させることができるので、制御対象の発振を効果的に抑制できる。
【００４２】
第４発明において、前記アクチュエータは、筒状又は柱状に形成された圧電素子であり、前記第１要素は、非線形ばねであり、前記第２要素は、凸部が設けられた第３要素と、前記凸部の形状に沿う凹部が設けられ該凹部に粘性液を充填した第４要素とを備え、前記駆動要素から前記第３要素と前記第４要素とのうちの一方に動力が伝達され、前記第３要素と前記第４要素とのうちの他方から前記被駆動要素に動力が伝達され、前記第２要素は、前記圧電素子の駆動により、前記凸部が前記粘性液と接触する面積が大きくなるように構成されていることが好ましい（第５発明）。これにより、圧電素子の駆動によって、非線形ばねを移動することで、当該非線形ばねの剛性を変更できる。また、圧電素子の駆動によって、第３要素を移動することで、凸部が凹部の底部に近付いて、凸部と粘性液との接触面積を大きくすることができる。これにより、凸部と粘性液とによる粘性係数を大きくすることができる。このように、圧電素子の駆動によって、剛性及び粘性係数を変更できるので、制御対象の発振を効果的に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態の動力伝達装置の概念図。
【図２】（ａ）は本実施形態の動力伝達装置の可変剛性部の電圧特性を示す図、（ｂ）は可変粘性係数部の電圧特性を示す図。
【図３】本実施形態の動力伝達装置の制御装置が実行する処理を示す図。
【図４】実施例１の動力伝達装置を示す図。
【図５】実施例１の動力伝達装置の中間部材の詳細を示す図。
【図６】実施例２の動力伝達装置を示す図。
【図７】実施例２の動力伝達装置の中間部材の詳細を示す図。
【図８】実施例３の動力伝達装置を示す図。
【図９】実施例４の動力伝達装置を示す図。
【図１０】実施例４の動力伝達装置の粘性係数を変化させる方法について説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１は、本実施形態の動力伝達装置１についての概念図を示す。図１に示されるように、動力伝達装置１は、主に、モータＡ２と、入力ギアＧ２と、中間部材４と、従動側クラッチ板６と、制御装置Ａ４と、出力部Ｂとを備える。
【００４５】
モータＡ２は、所謂電動機であり、図示しない電源から電力が供給されることで、当該モータＡ２に接続されたモータ出力軸Ａ２ａを軸周りに回転させるトルクを発生する。また、モータＡ２には、当該モータＡ２の回転角度を検知するモータエンコーダＡ３が接続されている。モータ出力軸Ａ２ａには、駆動ギアＧ１が固定されている。駆動ギアＧ１は、モータ出力軸Ａ２ａと共に回転する。
【００４６】
入力ギアＧ２は、駆動ギアＧ１に噛み合うように構成され、駆動ギアＧ１の回転により入力ギアＧ２が回転する。このとき、入力ギアＧ２は、モータＡ２の回転を減速して回転する。すなわち、駆動ギアＧ１及び入力ギアＧ２は、減速機として機能する。
【００４７】
また、入力ギアＧ２には、当該入力ギアＧ２から出力されるトルクを検知する入力側トルクセンサ５が配置されている。
【００４８】
中間部材４は、可変剛性部４１と、可変粘性係数部４２と、特性変更部４３と、ねじ軸４４と、ナット４５と、駆動側クラッチ板４６とを備える。このとき、可変剛性部４１は、変位によって剛性が変化する非線形ばねであり、可変粘性係数部４２は、変位によって粘性係数が変化する非線形ダンパである。
【００４９】
また、特性変更部４３は、印加される電圧（以下、「特性変更電圧」という）に応じて、ねじ軸４４を回転させる駆動源である。なお、特性変更部４３には、駆動するための電源（図示省略）から電力が供給されている。ナット４５は、ねじ軸４４が特性変更部４３の駆動により回転することで、ねじ軸４４の軸方向に沿って図１の左右方向に移動する。
【００５０】
このとき、特性変更部４３は、特性変更電圧が増加するとき、ナット４５を右方向に移動させ、特性変更電圧が減少するとき、ナット４５を左方向に移動させ、特性変更電圧が一定であるとき、ナット４５の移動を停止する。また、特性変更部４３に特性変更電圧が印加されていないときには、ナット４５を最も左側に移動させる。
【００５１】
また、ナット４５が図１の右方向に移動することで、可変剛性部４１及び可変粘性係数部４２を押圧して、当該移動した分だけ図１の右方向に変位させる。また、ナット４５が図１の左方向に移動することで、右方向への押圧が解除され、当該移動した分だけ、可変剛性部４１及び可変粘性係数部４２が図１の左方向に変位する。以上のようなナット４５の移動により、可変剛性部４１の剛性及び可変粘性係数部４２の粘性係数が変化する。すなわち、特性変更電圧に応じて、可変剛性部４１の剛性及び可変粘性係数部４２の粘性係数が変化する。
【００５２】
図２（ａ）は、横軸が電圧を示し、縦軸が剛性を示す。図２（ａ）に示されるように、中間部材４の特性変更部４３に印加される電圧が大きくなるに従って、剛性が大きくなる特性にしている。このとき、電圧−剛性特性曲線は、電圧が増加するにつれ、傾きが大きくなる曲線である。
【００５３】
また、図２（ｂ）は、横軸が電圧を示し、縦軸が粘性係数を示す。図２（ｂ）に示されるように、中間部材４の特性変更部４３に印加される電圧が大きくなるに従って、粘性係数が大きくなる特性にしている。このとき、電圧−粘性係数特性曲線は、所定の電圧までは電圧が増加するにつれ傾きが小さくなり、該所定の電圧以上では傾きが一定となる曲線である。なお、図２（ａ）及び（ｂ）において、ある電圧以上では、剛性及び粘性係数は増加しなくなる。
【００５４】
このような、剛性及び粘性係数の電圧特性は、上述の式(1)を用いた説明のように、被駆動側（例えば、出力部Ｂ）の振動の減衰率が一定となるように決定されている（但し、厳密に一定にしているわけではなく、上述したように制御処理を簡単にできる程度に一定にしている）。すなわち、各電圧値に対して、減衰率が一定となるように、剛性及び粘性係数の特性が決定されている。
【００５５】
そして、制御装置Ａ４は、所望の剛性を得るときに、この剛性に対応した電圧値を図２（ａ）に示されるような特性に基づいて決定している。図２（ａ）及び（ｂ）に示される特性は、予め実験等によって決定されている（可変剛性部４１及び可変粘性係数部４２を構成する段階で決定される）ので、制御装置Ａ４は、所望の剛性となるように電圧値を決定するだけで、可変粘性係数部４２の粘性係数を減衰率が一定となるような値に変更できる。
【００５６】
ここで、上記のように「減衰率が一定となるように予め定められた特性に応じて、剛性及び粘性係数を変更する」ことが、本発明における「前記第２変更部は、前記被駆動要素の振動の減衰が所定の減衰となるように、前記第１変更部によって変更された剛性に応じて前記粘性係数を変更する」ことに相当する。
【００５７】
ここで、図１においては、「剛性」及び図１の左右方向の「変位」に応じて可変剛性部４１が力を作用し、「粘性係数」及び図１の左右方向の「速度」に応じて可変粘性係数部４２が力を作用するかのように図示されているが、実際には、可変剛性部４１及び可変粘性係数部４２の各々は、駆動側クラッチ板４６（又は従動側クラッチ板６）の回転方向に対して上記各々の力を作用する。図１のように記載しているのは、駆動側クラッチ板４６の回転方向に対して力を作用するように記載すると、図が複雑になってしまい、かえって理解しづらいものとなってしまうからである。このように、図１は、本実施形態の動力伝達装置１の概念を簡略に示す図となっている。
【００５８】
駆動側クラッチ板４６は、可変剛性部４１及び可変粘性係数部４２に接続されている。これにより、駆動側クラッチ板４６は、入力ギアＧ２が回転するとき、当該入力ギアＧ２から出力されるトルクが、可変剛性部４１及び可変粘性係数部４２を介して伝達され、入力ギアＧ２と共通の軸心周りに回転する。従って、駆動側クラッチ板４６には、入力ギアＧ２の出力トルクが、可変剛性部４１の剛性及び可変粘性係数部４２の粘性係数に応じて伝達される。
【００５９】
また、ナット４５には、変位用エンコーダＢ１が固定されている。変位用エンコーダＢ１は、ナット４５と駆動側クラッチ板４６との間の距離を検知する距離センサである。すなわち、変位用エンコーダＢ１の出力によって、ナット４５がどこに位置しているかを検知することができると共に、可変剛性部４１の剛性及び可変粘性係数部４２の粘性係数を検知（又は推定）することができる。
【００６０】
特性変更電圧が所定の電圧Ｖ１未満であるときには、駆動側クラッチ板４６と従動側クラッチ板６とが接触していない状態（すなわち、クラッチが接続されていない状態。以下、この状態を「非伝達状態」という）であり、特性変更電圧が所定の電圧Ｖ１以上であるときには、駆動側クラッチ板４６と従動側クラッチ板６とが接触している状態（すなわち、クラッチが接続されている状態。以下、この状態を「伝達状態」という）である。ここで、駆動側クラッチ板４６及び従動側クラッチ板６の２つを指す場合は、クラッチ６，４６ということがある。
【００６１】
駆動側クラッチ板４６及び従動側クラッチ板６の互いに接触する面は、大きな摩擦力が発生するように構成されている。従って、駆動側クラッチ板４６及び従動側クラッチ板６が互いに接触しているときには、駆動側クラッチ板４６が回転するときのトルクが、従動側クラッチ板６に伝達され、従動側クラッチ板６が駆動側クラッチ板４６と共通の軸心周りに回転する。
【００６２】
また、従動側クラッチ板６には、当該従動側クラッチ板６に伝達されたトルクを検知する出力側トルクセンサ７が配置されている。
【００６３】
また、従動側クラッチ板６には、負荷に接続される出力部Ｂが接続されている。負荷は、動力伝達装置１の用途等に応じて様々なものが用いられる。例えば、動力伝達装置１が、様々な物体を持ち上げる用途に用いられる２つのリンクからなるアームであり、且つ中間部材４がこれらのリンク間に配置される関節である場合、出力部Ｂは被駆動側のリンクであり、負荷は当該リンクによって持ち上げられる物体である。
【００６４】
以上のように構成されているので、中間部材４の特性変更部４３に、所定の電圧Ｖ１以上の特性変更電圧が印加されているときには、クラッチ６，４６が伝達状態となるので、モータＡ２から出力されたトルクは、中間部材４を介して、従動側クラッチ板６ひいては出力部Ｂに伝達される。一方、中間部材４の特性変更部４３に印加される電圧が０であるとき、又は印加されている特性変更電圧が所定の電圧Ｖ１未満であるときには、クラッチ６，４６が非伝達状態となるので、モータＡ２から出力されたトルクは、従動側クラッチ板６ひいては出力部Ｂに伝達されない。
【００６５】
以上のように、「特性変更部４３に印加する剛性及び粘性係数を変更する特性変更電圧を、所定の電圧Ｖ１以上とするか否かによって、伝達状態と非伝達状態とを切替可能にしている」ことが、本発明における「前記第１要素の剛性又は前記第２要素の粘性係数を変更することで、前記被駆動要素に動力を伝達する伝達状態と、該伝達を断つ非伝達状態とを切替可能に構成されている」ことに相当する。
【００６６】
また、図２において、剛性及び粘性係数の各々の特性に関して、所定の電圧Ｖ１未満の場合について記載を省略しているのは、クラッチ６，４６が所定の電圧Ｖ１未満であるときに、非伝達状態となるためである。すなわち、非伝達状態である場合には、駆動側と従動側との間の動力伝達経路上に配置された中間部材の剛性及び粘性係数は意味を成さないので図示していない。なお、実際には、所定の電圧Ｖ１未満の場合であっても剛性及び粘性係数の特性は予め規定されている。
【００６７】
制御装置Ａ４は、「中央演算処理装置等の演算処理を行う１又は複数の電子回路」と、「ROM又はRAM等からなる１又は複数の記憶装置」とを備える。また、制御装置Ａ４には、モータエンコーダＡ３、変位用エンコーダＢ１、入力側トルクセンサ５、及び出力側トルクセンサ７の出力が入力される。制御装置Ａ４は、これらの入力された情報に基づき、モータＡ２及び中間部材４（図１においては、特性変更部４３）を制御する。
【００６８】
詳細には、制御装置Ａ４は、モータＡ２から出力されるトルクが目標のトルクになるように、現時点（現制御周期）でのトルク指令値に応じた電流をモータＡ２に供給する。また、制御装置Ａ４は、中間部材４の剛性が目標の剛性になるように、現時点（現制御周期）での剛性指令値に応じた電圧（すなわち、特性変更電圧）を中間部材４に印加する。
【００６９】
また、制御装置Ａ４は、モータＡ２を正常に制御できるか否かを判定する第１判定手段Ａ４１と、伝達状態か否かを判定する第２判定手段Ａ４２との機能も有する。
【００７０】
ここで、可変剛性部４１が、本発明の「第１要素」に相当し、可変粘性係数部４２が、本発明の「第２要素」に相当し、制御装置Ａ４が、本発明の「第１変更部」、「第２変更部」、「電圧印加部」及び「制御手段」に相当する。また、モータＡ２が、本発明の「駆動要素」及び「駆動源」に相当する。
【００７１】
次に、制御装置Ａ４が実行する制御処理について図３を参照して説明する。制御装置Ａ４は、図３の制御処理を、所定の間隔（例えば、10[ms]）毎に実行する。まず最初のステップＳＴ１では、動力伝達装置１の状態を取得する。ここで、動力伝達装置１の状態とは、正常状態と異常状態とがある。正常状態は、「モータエンコーダＡ３、変位用エンコーダＢ１、入力側トルクセンサ５及び出力側トルクセンサ７等のセンサ類」が全て正常に動作している状態である。また、異常状態は、センサ類が異常な動作をしている状態である。
【００７２】
センサ類に異常があるか否かは、それらが検知した値が所定の範囲外であるか否か（すなわち、正常動作している場合には検知されないと思われる値か否か）によって判定している。このような値は、予め実験等によって決定され、制御装置Ａ４が有する記憶装置に記憶保持されている。
【００７３】
なお、センサ類のいずれかに異常がある場合、正常なセンサによって検知された情報から当該異常があるセンサによって取得される情報を推定できるような場合には、正常状態としてもよい。この場合には、異常があるセンサの出力の代わりに、推定した値を用いる。
【００７４】
これは、例えば、入力側トルクセンサ５に異常がある場合、モータＡ２に電力を供給しているときの電流によって、入力ギアＧ２から出力されるトルクを推定することができる。「モータＡ２に供給している電流」は、電流センサ（図示省略）から得られた値を用いる。まず、「モータＡ２によって規定されるトルク定数（供給された電流に対する出力トルクの係数）」と「モータＡ２に供給している電流」とを乗算することで「モータＡ２の出力トルク」が得られる。
【００７５】
そして、「当該得られたモータＡ２の出力トルク」に、「駆動ギアＧ１と入力ギアＧ２とによって規定される減速比」を乗算することで、「入力ギアＧ２に伝達されるトルク」が得られる。そして、「当該得られた入力ギアＧ２に伝達されるトルク」から、「駆動ギアＧ１及び入力ギアＧ２の歯の噛み合い時に発生する摩擦力」を減算することで、「入力ギアＧ２から出力されるトルク」を得ることができる。
【００７６】
また、出力側トルクセンサ７に異常がある場合、入力側トルクセンサ５及び変位用エンコーダＢ１の各々の出力によって、従動側クラッチ板６に伝達されるトルクを推定することができる。まず、「可変粘性係数部４２の粘性係数」と「変位用エンコーダＢ１の出力の単位時間辺りの変化量」とを乗算して、可変粘性係数部４２の剪断応力を得る。ここで、単位時間辺りの変化量とは、「本制御周期の変位用エンコーダＢ１の出力」と「前制御周期の変位用エンコーダＢ１の出力」との差分である。
【００７７】
そして、「入力側トルクセンサ５から出力された入力ギアＧ２から出力されるトルク」から、上記で得られた可変粘性係数部４２の剪断応力を減算することで、従動側クラッチ板６に伝達されるトルクを推定することができる。なお、従動側クラッチ板６に伝達されるトルクを推定する際に、出力側トルクセンサ７及び入力側トルクセンサ５のいずれも異常がある場合には、「入力ギアＧ２から出力されるトルク」を、上述したように「モータＡ２に供給している電流」によって推定してもよい。この場合には、「モータＡ２に供給している電流」及び「変位用エンコーダＢ１の出力」によって、従動側クラッチ板６に伝達されるトルクを推定することとなる。
【００７８】
また、従動側クラッチ板６に伝達されるトルクを推定する別の方法として次のものも考えられる。まず、「可変剛性部４１の剛性」と「変位用エンコーダＢ１の出力」とを乗算して、「可変剛性部４１に蓄えられた応力」を演算する。そして、この「演算された応力」に、上述のようにして得られる「可変粘性係数部４２の剪断応力」を加算することで、「従動側クラッチ板６に伝達されるトルク」を推定する。
【００７９】
以上のような従動側クラッチ板６に伝達されるトルクの推定は、駆動側クラッチ板４６及び従動側クラッチ板６とが接触し、且つ当該２つのクラッチ板４６，６が相対回転角度が変化しない状態（すなわち、滑りが発生していない状態）にのみ行われ、２つのクラッチ板４６，６が互いに滑っている状態（所謂半クラッチの状態）においては行われない。
【００８０】
なお、このように、制御装置Ａ４は、入力ギアＧ２から出力されるトルク、及び従動側クラッチ板６に伝達されるトルクを推定できるので、動力伝達装置１に、入力側トルクセンサ５及び出力側トルクセンサ７を設けなくてもよい。
【００８１】
次に、ステップＳＴ２に進み、ステップＳＴ１で取得された状態が異常状態か否かを判定する。異常状態であると判定された場合、モータＡ２の制御等を適切に行えない可能性がある。このため、ステップＳＴ３に進み、モータＡ２及び中間部材４の特性変更部４３に供給する電流又は電圧を０にする。ここで、ステップＳＴ２の処理が、本発明における「第１判定手段」による処理に相当する。
【００８２】
これにより、モータＡ２が駆動を停止すると共に、中間部材４の特性変更部４３に印加される電圧が０となり、クラッチ６，４６が非伝達状態となる。従って、ステップＳＴ３が処理される前に、従動側クラッチ板６にトルクが伝達されていた場合であっても、ステップＳＴ３が処理されることで、上記クラッチ６，４６が非伝達状態となる。すなわち、機械的な接続が断たれ、出力部Ｂ側にモータＡ２から出力されたトルクが伝達されない状態になる（換言すれば、機械的にトルクの伝達を断っている）。従って、正常に動作していないセンサによって検知された情報に基づく制御等によって、モータＡ２及び中間部材４に供給する電圧が想定外の値になることにより動力伝達装置１が想定外の動作をすることを防止でき、当該動力伝達装置１の安全性を向上できる。ステップＳＴ３の処理が終了すると、本制御処理を終了する。
【００８３】
ここで、ステップＳＴ３の処理が、本発明における「前記第１判定手段の判定結果が否定的であるとき、前記非伝達状態となるように制御する」ことに相当する。
【００８４】
ステップＳＴ２で、正常状態であると判定された場合、ステップＳＴ４に進み、制御装置Ａ４の図示しない処理によって決定された、中間部材４の可変剛性部４１の剛性指令値を取得する。中間部材４の可変剛性部４１の剛性指令値とは、中間部材４の可変剛性部４１の剛性を当該値となるように制御するための値である。剛性指令値は、動力伝達装置１の作動に応じて制御装置Ａ４によって適宜決定される値である。例えば、制御装置Ａ４は、動力伝達装置１のアームを正確に駆動させる等のように関節を固くしたい場合には、動力伝達装置１としての剛性を高めるために、剛性指令値を大きな値に設定する。また、制御装置Ａ４は、動力伝達装置１のアーム等に作用する意図しない衝撃の影響を緩和するため等の理由により関節を柔らかくしたい場合には、剛性指令値を小さな値に設定する。
【００８５】
ステップＳＴ４の処理が終了すると、ステップＳＴ５及びステップＳＴ６に進む。すなわち、制御装置Ａ４は、ステップＳＴ５とＳＴ６とを並列に処理をするために、スレッドを分岐し、当該分岐されたスレッドにおいてステップＳＴ５（又はＳＴ６）を実行し、分岐以前から動作していたスレッドにおいてステップＳＴ６（又はＳＴ５）を実行する。これにより、ステップＳＴ５とＳＴ６は並列処理される。
【００８６】
ステップＳＴ５では、中間部材４の可変剛性部４１の剛性が剛性指令値となるように、中間部材４の特性変更部４３に印加する電圧を決定する。これは、図２（ａ）に示されるような、「電圧−剛性」のマップに応じて剛性指令値に対応する電圧を得ることにより電圧の決定を行う。ステップＳＴ５の処理が終了すると、当該ステップＳＴ５で得られた電圧が、中間部材４の特性変更部４３に印加されるように制御信号を出力し、本制御処理を終了する。
【００８７】
ステップＳＴ６では、中間部材４の可変剛性部４１の剛性及び可変粘性係数部４２の粘性係数を推定する。これは、図２に示されるような、「電圧−剛性」及び「電圧−粘性係数」のマップに応じて、現時点で中間部材４の特性変更部４３に印加されている電圧に対応する可変剛性部４１の剛性及び可変粘性係数部４２の粘性係数を得ることで推定している。
【００８８】
ステップＳＴ６の処理が終了すると、ステップＳＴ７に進み、クラッチ６，４６が伝達状態であるか否かを判定する。従動側クラッチ板６には、クラッチ６，４６が伝達状態になることでトルクが発生する。一方、クラッチ６，４６が非伝達状態であるときには、駆動側クラッチ板４６に伝達されているトルクが、従動側クラッチ板６に伝達されないので、出力側トルクセンサ７によって検知されたトルクは０となる。このとき、出力側トルクセンサ７の測定誤差等により、当該センサ７の出力が０よりも大きな値になる可能性もある。
【００８９】
従って、本ステップＳＴ７では、出力側トルクセンサ７によって検知されたトルクが、所定の値（所定の値は、０又は上記誤差を考慮した０よりも大きな値）より大きい場合にクラッチ６，４６が伝達状態であると判定し、所定の値以下である場合にクラッチ６，４６が非伝達状態であると判定する。所定の値は、予め実験等によって決定され、制御装置Ａ４の記憶装置に記憶保持されている。ここで、ステップＳＴ７の処理が、本発明における「第２判定手段」による処理に相当する。
【００９０】
ステップＳＴ７で、クラッチ６，４６が接続されていないと判定された場合、ステップＳＴ８に進み、回転追従制御を行う。回転追従制御とは、従動側クラッチ板６の回転角度と駆動側クラッチ板４６の回転角度との差が、所定の値以下となるようにモータＡ２を制御している。これにより、クラッチ６，４６を非伝達状態から伝達状態に状態を変更するときに、すぐに伝達状態に変更できるようになる。
【００９１】
すなわち、通常、クラッチ６，４６を接続するときには、予め規定された被駆動要素と駆動要素との相対的な変位の差の範囲内で伝達状態にする必要がある。上記のような回転追従制御を実行しておくことで、制御装置Ａ４が、伝達状態にすると判定したときに、すぐに伝達状態にすることができ、ひいては、制御処理の時間を短くできる。
【００９２】
回転追従制御は、例えば、モータＡ２によって出力部Ｂを駆動中に、何かしらの要因により出力部Ｂの駆動を一時的に中断した後、出力部Ｂの駆動を再開するような場合等に実行される。
【００９３】
ここで、ステップＳＴ８の処理が、本発明における「前記第１判定手段の判定結果が肯定的であり且つ前記第２判定手段の判定結果が否定的であるとき、前記被駆動要素の変位と前記駆動要素の変位との差が所定の値以下となるように前記駆動源を制御する」ことに相当する。
【００９４】
ステップＳＴ７で、クラッチが接続されていると判定された場合、ステップＳＴ９に進み、フィードバックトルク制御を行う。ここで、フィードバックトルク制御とは、出力部Ｂに伝達されるトルクが、制御装置Ａ４の図示しない処理によって決定された目標とするトルクになるように、モータＡ２の出力トルクを制御することである。
【００９５】
このフィードバックトルク制御は、既に公知となっている様々な制御処理が適用できる。例えば、特開２０１１−１１５８７８号公報等には、駆動要素（モータＡ２）と被駆動要素（出力部Ｂ）との間に弾性要素が配置されている場合において、駆動要素を制御する技術について記載されている。ステップＳＴ９では、例えば、当該公報に記載されている制御を実行する。
【００９６】
ステップＳＴ８又はステップＳＴ９の処理が終了すると、本制御処理を終了する。
【００９７】
ここで、ステップＳＴ９の処理が、本発明における「前記第１判定手段の判定結果が肯定的であり且つ前記第２判定手段の判定結果が肯定的であるとき、前記被駆動要素に伝達される動力を制御する」ことに相当する。
【００９８】
なお、中間部材４の特性変更部４３に印加している電圧から、クラッチ６，４６が伝達状態であるか否かを判定することができる。しかしながら、中間部材４の個体差又は周辺環境の状態（例えば、温度等）によって、中間部材４の特性変更部４３に印加している電圧が、所定の電圧Ｖ１以上であったとしても駆動側クラッチ板４６と従動側クラッチ板６とが接触していない（すなわち、非伝達状態である）可能性がある。
【００９９】
このような場合のために、ステップＳＴ７の処理において、クラッチ６，４６が伝達状態ではないと判定されたときに、中間部材４に印加されている電圧が所定の電圧Ｖ１以上であるような場合には、当該所定の電圧Ｖ１を補正してもよい（以下、このように補正することを「補正処理」という）。詳細には、制御装置Ａ４は、補正処理において、クラッチ６，４６が非伝達状態から伝達状態に遷移したときの、中間部材４に印加されている電圧を新たな所定の電圧Ｖ１となるように設定する。
【０１００】
以上のように、制御装置Ａ４によって、モータＡ２及び中間部材４が制御される。
【０１０１】
以上のように、本実施形態の動力伝達装置１は、モータＡ２のトルクが中間部材４を介して出力部Ｂに伝達される。すなわち、モータＡ２と出力部Ｂとの間の動力伝達経路上に、動力伝達要素として粘性を有する可変粘性係数部４２を備えるので、出力部Ｂの制御時において、機械的に出力部Ｂの振動を収束させることができる。また、制御装置Ａ４の制御によって可変剛性部４１の剛性を変更できるので、状況に応じて出力部Ｂを柔軟に制御することができる。
【０１０２】
また、制御装置Ａ４は、図２に示されるような電圧特性に応じて、剛性及び粘性係数を変更するので、出力部Ｂの振動の減衰率を一定にできる。このため、制御装置Ａ４は、前回の制御周期の出力部Ｂの振動から、現時点の制御周期の出力部Ｂの振動を予測しやすくなり、制御処理を簡単にできる。このように、剛性及び粘性係数が変更可能な動力伝達要素を用いて、その剛性及び粘性係数を適宜変更することにより、制御対象の発振を効果的に抑制できる。
【０１０３】
［実施例１］
次に、本実施形態の動力伝達装置の具体的な実施例について説明する。まず、実施例１について説明する。
【０１０４】
図４は、実施例１の動力伝達装置１１を示す図である。動力伝達装置１１は、モータＡ２と、制御装置Ａ４と、減速機２と、外枠３と、中間部材４０１と、入力側トルクセンサ５と、出力側トルクセンサ７と、出力部Ｂとを備える。モータＡ２は、実施形態の説明と同様に、電力が供給されることでモータ出力軸Ａ２ａを回転させるトルクを出力する電動機である。
【０１０５】
減速機２は、例えば、ハーモニックドライブ（登録商標）等が用いられる。減速機２には、略円柱状に形成された入力側トルクセンサ５が配置されている。入力側トルクセンサ５は、ひずみゲージを用いたトルクセンサである。入力側トルクセンサ５は、自身の歪みに応じて減速機２から出力されたトルクを検知し、当該トルクの大きさに応じた電気信号を出力する。
【０１０６】
入力側トルクセンサ５には、外枠３が接続されている。外枠３は、略円筒状に形成されており、その中空部には、略円筒状の中間部材４０１が固定されている。なお、中間部材４０１は、他の形状であってもよい。例えば、長さ方向に貫通孔が設けられた四角柱等であってもよい。本明細書においては、筒状とは、円筒状以外にもこのような形状のものも含むものとする。
【０１０７】
中間部材４０１は、電圧が印加されている状態であるとき、中空部の空間を減少するように構成されている。詳細には、中間部材４０１は、図４（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、制御装置Ａ４の制御によって、電圧が印加されている状態であるとき（図４（ｃ））、電圧が印加されていない状態であるとき（図４（ｂ））に比べて、当該中間部材４０１の中空部の径が小さくなる。ここで、制御装置Ａ４が、本発明における「電圧印加部」に相当する。
【０１０８】
この中空部の空間の減少は、図５に模式的に示されるように、中間部材４０１を構成することで実現されている。図５（ａ）は、中間部材４０１に電圧が印加されていない状態を示し、図５（ｂ）は、中間部材４０１に電圧が印加されている状態を示す。図５（ａ）に示されるように、中間部材４０１は、陽極Ｐと、陰極Ｍと、導電性高分子アクチュエータＥとを備える。これらは、「陰極Ｍ→導電性高分子アクチュエータＥ→陽極Ｐ」の順に積層されている（以下、このように積層されたものをまとめていうときは「積層体Ｍ，Ｅ，Ｐ」という）。このような積層体Ｍ，Ｅ，Ｐは、陽極Ｐと陰極Ｍとの間に電位差が生じたときには、導電性高分子アクチュエータＥの陽極Ｐ側が伸びると共に、導電性高分子アクチュエータＥの陰極Ｍ側が縮む。
【０１０９】
このような積層体Ｍ，Ｅ，Ｐは、その径方向外側から径方向内側に向かうに従って、陰極Ｍ側から陽極Ｐ側に向かって傾斜するように形成されている。これにより、陽極Ｐと陰極Ｍとの間に電位差が生じた場合には、図５（ｂ）に示されるように、陰極Ｍ側が縮み、陽極Ｐ側が伸びるので、前記積層体Ｍ，Ｅ，Ｐの傾斜が緩やかになる（傾斜の角度は、「中間部材４０１の径方向」と「傾斜」との間の角度とする。）。これにより、図５（ｂ）の積層体Ｍ，Ｅ，Ｐの中空部の径は、図５（ａ）の積層体Ｍ，Ｅ，Ｐの中空部の径（図５（ｂ）の破線）に比べて小さくなる。
【０１１０】
このとき、陽極Ｐと陰極Ｍとの間の電位差が大きい程、傾斜は緩やかになる。そして、傾斜が緩やかになるほど、積層体Ｍ，Ｅ，Ｐ（ひいては中間部材４０１）の中空部の径は小さくなる。
【０１１１】
更に、導電性高分子アクチュエータＥは、電圧が印加されることで、剛性及び粘性係数が変化する。実施例１の中間部材４０１に用いられる導電性高分子アクチュエータＥは、電圧に対する剛性及び粘性係数の特性を、図２に示されるように構成している。
【０１１２】
中間部材４０１の中空部には、略円柱状に形成された出力側トルクセンサ７が配置されている。出力側トルクセンサ７は、入力側トルクセンサ５と同様に、ひずみゲージを用いたトルクセンサであり、その歪みに応じて当該出力側トルクセンサ７に伝達されたトルクを検知し、当該トルクの大きさに応じた電気信号を出力する。
【０１１３】
出力側トルクセンサ７は、中間部材４０１に電圧が印加されていないとき、中間部材４０１の中空部の壁面（以下、「中間部材壁面」という）４０１ａに、当該出力側トルクセンサ７の壁面（以下、「出力側壁面」という）７ａが接触しない大きさに形成されると共に、中間部材４０１に印加される電圧が所定の電圧Ｖ１以上であるとき、中間部材壁面４０１ａに、出力側壁面７ａが接触する大きさに形成される。また、「中間部材壁面４ａ」及び「出力側壁面７ａ」は、互いが接触しているときには、大きな摩擦力が発生するように構成されている。
【０１１４】
また、出力側トルクセンサ７には、負荷が接続される出力部Ｂが固定されている。
【０１１５】
以上のように構成されているので、所定の電圧Ｖ１以上の電圧が中間部材４０１に印加されているとき、中間部材壁面４０１ａと出力側壁面７ａとが接触するので、モータＡ２から出力されたトルクは、中間部材４０１を介して出力部Ｂに伝達される。このとき、モータＡ２、中間部材４０１、及び出力部Ｂは、互いに共通の軸心周りで回転する。一方、中間部材４０１に電圧が印加されていないか、又は所定の電圧Ｖ１未満の電圧が中間部材４０１に印加されているとき、中間部材壁面４０１ａと出力側壁面７ａとが接触していないので、モータＡ２から出力されたトルクは、出力部Ｂに伝達されない。
【０１１６】
このように、中間部材４０１に所定の電圧Ｖ１以上の電圧を印加するか否かによって、出力部Ｂへトルクが伝達されるか否かが決定される。すなわち、中間部材壁面４０１ａと出力側壁面７ａとによってクラッチ機構が構成されていることに相当している。
【０１１７】
ここで、実施例１の中間部材４０１が、実施形態の中間部材４に相当し、導電性高分子アクチュエータＥが、実施形態の可変剛性部４１及び可変粘性係数部４２に相当する。更に、実施例１の中間部材壁面４０１ａが、実施形態の駆動側クラッチ板４６に相当する。また、実施例１の出力側壁面７ａが、実施形態の従動側クラッチ板６に相当する。
【０１１８】
また、出力部Ｂには、外枠３との相対的な回転角度を検知するためのエンコーダＢ１１が配置されている。これにより、エンコーダＢ１１は、出力側壁面７ａ（ひいては出力部Ｂ）に対する外枠３の相対的な変位（回転角度）を検知していることとなる。従って、中間部材壁面４０１ａと出力側壁面７ａとが接触しているとき、これらの相対的な変位は０であるので、エンコーダＢ１１が検知した変位は、中間部材４０１に伝達されたトルクに応じた当該中間部材４０１のねじれ方向の変位を示す。ここで、実施例１のエンコーダＢ１１が、実施形態の変位用エンコーダＢ１に相当する。
【０１１９】
以上のように、本実施形態の動力伝達装置１は、中間部材４０１として導電性高分子アクチュエータを用いているので、その剛性及び粘性係数を変更することができる。
【０１２０】
［実施例２］
次に、本発明の実施例２の動力伝達装置１２について図６を参照して説明する。実施例２の動力伝達装置１２は、実施例１の動力伝達装置１１に比べて、中間部材及び出力側の構成が異なっている。本実施形態においては、図６に示されるように、中間部材４０２は、導電性高分子アクチュエータからなり、略円柱状に形成されている。このため、導電性高分子アクチュエータは、電圧が印加されることで剛性及び粘性係数が変化する。なお、中間部材４０２は、略円柱状のみならず、例えば、柱状及び筒状等、他の形状であってもよい。
【０１２１】
そして、中間部材４０２の円柱状の左側の端部には、クラッチ板としての役目を果たす入力側クラッチ板４６２が固定されている。入力側クラッチ板４６２は、その径が中間部材４０２の径よりも大きく形成されている。ここで、入力側クラッチ板４６２が、本発明における「凸部」に相当する。
【０１２２】
中間部材４０２は、図７（ａ）に模式的に示されるように構成されている。中間部材４０２は、「陰極Ｍ→導電性高分子アクチュエータＥ→陽極Ｐ」の順に積層した複数の積層体Ｍ，Ｅ，Ｐを、絶縁層Ｉを介して積層している。これにより、陰極Ｍと陽極Ｐとの間に電位差が生じたときには、図７（ｂ）に模式的に示されるように、導電性高分子アクチュエータＥの伸縮により、陰極Ｍと陽極Ｐとの間の電位差が０のときに比べて、軸線方向に短くなる。このとき、電位差が大きい程軸線方向に短くなる。
【０１２３】
従って、中間部材４０２は、図６に示されるように、電圧の印加の有無により伸縮する。図６（ｂ）は、中間部材４０２に電圧が印加されていない状態を示し、図６（ｃ）は、中間部材４０２に電圧が印加されている状態を示す。これらに示されるように、中間部材４０２は、電圧が印加されることで円柱状の軸線方向（図６の左右方向）に縮むように構成されている。
【０１２４】
また、動力伝達装置１２は、中心部に、中間部材４０２の径よりも大きな孔が設けられた出力側トルクセンサ７２を備えている。出力側トルクセンサ７２は、その孔に中間部材４０２が配置される。このとき、入力側クラッチ板４６２が出力側トルクセンサ７２よりも図６の左側に位置するように配置される。そして、出力側トルクセンサ７２には、負荷が接続される出力部Ｂが固定されている。
【０１２５】
また、入力側クラッチ板４６２の表面、特に図６の右側の表面（以下、「入力側クラッチ板摩擦面」という）４６２ａと、出力側トルクセンサ７２の表面、特に図６の左側の表面（以下、「出力側摩擦面」という）７２ａとは、互いが接触したときに、大きな摩擦力が発生するように構成されている。すなわち、出力側トルクセンサ７２は、従動側のクラッチ板としても機能する。
【０１２６】
そして、中間部材４０２に所定の電圧Ｖ１以上の電圧が印加されたとき、中間部材４０２が軸方向に縮み、入力側クラッチ板摩擦面４６２ａと出力側摩擦面７２ａとが接触する。また、中間部材４０２に印加される電圧が所定の電圧Ｖ１未満であるとき、中間部材４０２は軸方向に伸び、入力側クラッチ板摩擦面４６２ａと出力側摩擦面７２ａとが離れる。
【０１２７】
以上のように、動力伝達装置１２が構成されているので、中間部材４０２に印加する電圧を調整することで、駆動要素としてのモータＡ２の動力を、被駆動要素としての出力部Ｂに伝達するか否かを切り替えることができる。
【０１２８】
ここで、実施例２の中間部材４０２が、実施形態の中間部材４に相当し、導電性高分子アクチュエータＥが、実施形態の可変剛性部４１及び可変粘性係数部４２に相当する。更に、実施例２の入力側クラッチ板４６２が、実施形態の駆動側クラッチ板４６に相当する。また、実施例２の出力側摩擦面７２ａが、実施形態の従動側クラッチ板６に相当する。
【０１２９】
また、出力側トルクセンサ７２には、入力側トルクセンサ５との相対的な回転角度を検知するためのエンコーダＢ１２が配置されている。これにより、エンコーダＢ１２は、出力側トルクセンサ７２（ひいては出力部Ｂ）に対する入力側トルクセンサ５の相対的な変位（回転角度）を検知していることとなる。従って、入力側クラッチ板摩擦面４６２ａと出力側摩擦面７２ａとが接触しているとき、これらの相対的な変位は０であるので、エンコーダＢ１２が検知した変位は、中間部材４０２に伝達されたトルクに応じた当該中間部材４０２のねじれ方向の変位を示す。ここで、実施例２のエンコーダＢ１２が、実施形態の変位用エンコーダＢ１に相当する。
【０１３０】
［実施例３］
次に、本発明の実施例３の動力伝達装置１３について図８を参照して説明する。実施例３の動力伝達装置１３は、実施例２の動力伝達装置１２に比べて、入力側トルクセンサ５から出力部Ｂまでの構成が異なっている。
【０１３１】
実施例３の動力伝達装置１３では、減速機２に、円柱状の入力側トルクセンサ５が固定されている。そして、入力側トルクセンサ５の減速機２が固定されている側とは反対側の端部には、円盤状の入力側クラッチ板４６３が固定されている。入力側クラッチ板４６３は、その径が入力側トルクセンサ５の径よりも大きく形成されている。
【０１３２】
また、動力伝達装置１３は、略円筒状の出力側トルクセンサ７３を備えている。出力側トルクセンサ７３の径は、入力側トルクセンサ５の径よりも大きく且つ入力側クラッチ板４６３の径よりも小さく形成されている。そして、出力側トルクセンサ７３の孔に、入力側トルクセンサ５が挿通して配置されている。このとき、入力側クラッチ板４６３が、出力側トルクセンサ７３よりも図８の左側に位置するように配置される。
【０１３３】
そして、出力側トルクセンサ７３には、略円柱状に形成された３つの中間部材４０３の各々の一端が固定されている。３つの中間部材４０３の各々の他端は、負荷が接続される出力部Ｂに固定されている。３つの中間部材４０３の各々は、実施例２の中間部材４０２と同様に、電圧が印加されたときに、軸線方向に伸縮するように構成されている。なお、中間部材４０３は３つのみならず他の数であってもよい。また、中間部材４０３は円柱状のみならず他の柱状及び筒状等他の形状であってもよい。
【０１３４】
また、入力側クラッチ板４６３の表面、特に図８の右側の表面（以下、「入力側クラッチ板摩擦面」という）４６３ａと、出力側トルクセンサ７３の表面、特に図８の左側の表面（以下、「出力側摩擦面」という）７３ａとは、互いが接触したときに、大きな摩擦力が発生するように構成されている。すなわち、出力側トルクセンサ７２は、従動側のクラッチ板としても機能する。
【０１３５】
そして、中間部材４０３に所定の電圧Ｖ１以上の電圧が印加されたとき、図８（ｃ）に示されるように、中間部材４０３が軸方向に縮み、入力側クラッチ板摩擦面４６３ａと出力側摩擦面７３ａとが接触する。また、中間部材４０３に印加される電圧が所定の電圧Ｖ１未満であるとき、図８（ｂ）に示されるように、中間部材４０３は軸方向に伸び、入力側クラッチ板摩擦面４６３ａと出力側摩擦面７３ａとが離れる。
【０１３６】
以上のように、動力伝達装置１３が構成されているので、中間部材４０３に印加する電圧を調整することで、駆動要素としてのモータＡ２の動力を、被駆動要素としての出力部Ｂに伝達するか否かを切り替えることができる。
【０１３７】
ここで、実施例３の中間部材４０３が、実施形態の中間部材４に相当し、導電性高分子アクチュエータＥが、実施形態の可変剛性部４１及び可変粘性係数部４２に相当する。更に、実施例３の入力側クラッチ板４６３が、実施形態の駆動側クラッチ板４６に相当する。また、実施例３の出力側摩擦面７３ａが、実施形態の従動側クラッチ板６に相当する。
【０１３８】
また、出力側トルクセンサ７３には、入力側トルクセンサ５との相対的な回転角度を検知するためのエンコーダＢ１３が配置されている。これにより、エンコーダＢ１３は、出力側トルクセンサ７３（ひいては出力部Ｂ）に対する入力側トルクセンサ５の相対的な変位（回転角度）を検知していることとなる。従って、入力側クラッチ板摩擦面４６３ａと出力側摩擦面７３ａとが接触しているとき、これらの相対的な変位は０であるので、エンコーダＢ１３が検知した変位は、中間部材４０３に伝達されたトルクに応じた当該中間部材４０３のねじれ方向の変位を示す。ここで、実施例３のエンコーダＢ１３が、実施形態の変位用エンコーダＢ１に相当する。
【０１３９】
［実施例４］
次に、実施例４の動力伝達装置１４について図９及び図１０を参照して説明する。実施例４の動力伝達装置１４は、実施例１の動力伝達装置１１に比べて、入力側トルクセンサから出力部までの構成が異なっている。
【０１４０】
図９（ａ）に示されるように、入力側トルクセンサ５４は、略円柱状に形成されている。入力側トルクセンサ５４の一端には、減速機２が固定され、他端には、３つの非線形ばね４１４が固定されている。なお、非線形ばね４１４は３つに限らずいくつであってもよい。また、図１０（ａ）に示されるように、入力側トルクセンサ５４の他端には、その面に対する法線方向に沿って見たときに円形状となる凹部５４１が設けられている。そして、凹部５４１内を満たすように、粘性液としてのグリス５４２が充填されている。
【０１４１】
３つの非線形ばね４１４の入力側トルクセンサ５４が接続されている側とは反対側の端部は、円盤状に形成された入力側クラッチ板４６４が固定されている。そして、入力側クラッチ板４６４の非線形ばね４１４が固定されている面とは反対側の面（以下、「入力側クラッチ板摩擦面」という）４６４ａに対して、略円柱状の出力側トルクセンサ７４が、当該センサ７４の一方の面である出力側摩擦面７４ａを向けた状態で配置されている。このとき、入力側クラッチ板摩擦面４６４ａと出力側摩擦面７４ａとは、互いに距離を設けて配置されている。
【０１４２】
出力側トルクセンサ７４の出力側摩擦面７４ａとは反対側の面には、略柱状に形成された３つの圧電素子４３４の各々の一端が接続されている。そして、３つの圧電素子４３４の各々の他端が、出力部Ｂに接続されている。なお、圧電素子４３４は３つに限らずいくつであってもよい。また、圧電素子は、柱状及び筒状等、他の様々な形状であってもよい。
【０１４３】
圧電素子４３４は、電圧を加えると変形する圧電体Ｚと、当該圧電体Ｚを陰極Ｍと陽極Ｐとで挟持するように積層されている。実施例２及び実施例３において、積層体Ｍ，Ｅ，Ｐは、導電性高分子アクチュエータＥを陰極Ｍと陽極Ｐとで挟持するように積層して構成されていたが、実施例４においては、この積層体Ｍ，Ｅ，Ｐの導電性高分子アクチュエータＥを圧電体Ｚに置きかえた積層体Ｍ，Ｚ，Ｐを用いている。そして、この実施例４における積層体Ｍ，Ｚ，Ｐを、実施例２及び実施例３と同様に、複数積層することで、圧電素子４３４を構成している。
【０１４４】
このように構成された実施例４における積層体Ｍ，Ｚ，Ｐは、陰極Ｍと陽極Ｐとの間に電位差が生じたときに圧電体Ｚが積層方向に向かって長くなるので、その積層方向に向かって長くなる。従って、圧電素子４３４は、電圧が印加されることで（詳細には、圧電素子４３４を構成する陰極Ｍと陽極Ｐとの間に電位差を生じさせることで）、当該圧電素子４３４の円柱上の軸線方向に長くなる（図９の右方向に向かって伸びる）。このとき、圧電素子４３４は、電位差が大きいほど長くなる。
【０１４５】
圧電素子４３４に電圧が印加されると、互いに距離を設けて配置されていた入力側クラッチ板摩擦面４６４ａと出力側摩擦面７４ａとの距離が近付く。そして、圧電素子４３４に印加される電圧が所定の電圧Ｖ１以上になると、図９（ｂ）に示されるように、入力側クラッチ板摩擦面４６４ａと出力側摩擦面７４ａとが接触する。この状態において、入力側クラッチ板４６４に伝達されたトルクが、出力側トルクセンサ７４に伝達される伝達状態になる。このように動力伝達装置１４が構成されているので、圧電素子４３４に印加する電圧を調整することで、駆動要素としてのモータＡ２の動力を、被駆動要素としての出力部Ｂに伝達するか否かを切り替えることができる。
【０１４６】
更に、圧電素子４３４に印加される電圧が所定の電圧Ｖ１より大きくなると、非線形ばね４１４が図９の右方向に向かって付勢される。これにより、非線形ばね４１４の剛性が大きくなる。実施例４で用いられる非線形ばね４１４は、押圧方向（図９の右方向）に変位することで、ねじり方向（モータ出力軸Ａ２ａの回転方向）の剛性が変化するように構成されている。従って、非線形ばね４１４は、圧電素子４３４に付勢されることで、入力側トルクセンサ５４に伝達されたモータＡ２の出力トルクに対する剛性が変化する。
【０１４７】
また、入力側クラッチ板４６４の入力側クラッチ板摩擦面４６４ａとは反対の面には、入力側トルクセンサ５４に向かって突出した凸部４６４ｂが設けられている。凸部４６４ｂは、円筒状の径方向断面の一部が欠けた円弧状に形成されている。この凸部４６４ｂは、その先端が凹部５４１に挿入される。
【０１４８】
凹部５４１は、上述したように、入力側トルクセンサ５４の面の法線方向に沿って見たときに円形状に形成されている。このとき、凹部５４１の円形状の中心点と入力側トルクセンサ５４の回転軸の中心点とは同一となっている。これにより、入力側トルクセンサ５４と入力側クラッチ板４６４との相対角度が変化した場合であっても、その回転方向において凹部５４１と凸部４６４ｂとが互いに移動を邪魔することが防止されている。
【０１４９】
なお、凸部４６４ｂは、円筒状の一部が欠けている必要はなく「円筒状（径方向断面が環状）」であってもよい。また、入力側トルクセンサ５４と入力側クラッチ板４６４との相対角度が変化した場合であっても、その回転方向において凹部５４１と凸部４６４ｂとが互いに移動を邪魔することがなければ、どのような形状であってもよい。
【０１５０】
図１０（ｂ）は、圧電素子４３４に電圧が印加されていない状態を示し、図１０（ｃ）は、圧電素子４３４に所定の電圧Ｖ１以上の電圧が印加されていない状態を示す。図１０（ｂ）に示されるように、凸部４６４ｂの側面の一部がグリス５４２に接触しているので、入力側トルクセンサ５４と入力側クラッチ板４６４との相対回転速度が変化する場合には、当該接触している面積に応じて、回転方向に対する粘性力が発生する。
【０１５１】
圧電素子４３４に所定の電圧Ｖ１以上の電圧が印加されることで、図１０（ｃ）に示されるように、凸部４６４ｂが凹部５４１の底辺側に向かって（図１０（ｃ）の右方向に向かって）移動する。これにより、凸部４６４ｂとグリス５４２との接触面積が増加する。このように接触面積が増加すると、増加する前と比べて前記粘性力が大きくなる。すなわち、圧電素子４３４に所定の電圧Ｖ１以上の電圧が印加された場合、その電圧が大きくなるほど粘性力が大きくなる。
【０１５２】
以上のように、制御装置Ａ４は、圧電素子４３４に印加する電圧に応じて、「非線形ばね４１４の剛性」及び「凸部４６４ｂとグリス５４２による粘性係数」を変化させることができる。
【０１５３】
ここで、実施例４の非線形ばね４１４が、実施形態の可変剛性部４１に相当する。実施例４の凸部４６４ｂ及びグリス５４２が、実施形態の可変粘性係数部４２に相当する。また、実施例４の圧電素子４３４が、実施形態の特性変更部４３に相当する。更に、実施例４の入力側クラッチ板４６４が、実施形態の駆動側クラッチ板４６に相当すると共に、本発明の第３要素に相当する。また、入力側トルクセンサが、本発明の第４要素に相当する。また、実施例４の出力側摩擦面７４ａが、実施形態の従動側クラッチ板６に相当する。
【０１５４】
また、入力側クラッチ板４６４には、入力側トルクセンサ５４との相対的な回転角度を検知するためのエンコーダＢ１４が配置されている。これにより、エンコーダＢ１４は、入力側クラッチ板４６４に対する入力側トルクセンサ５４の相対的な変位（回転角度）を検知していることとなる。従って、エンコーダＢ１４が検知した変位は、非線形ばね４１４のねじれ方向の変位を示す。ここで、実施例４のエンコーダＢ１４が、実施形態の変位用エンコーダＢ１に相当する。
【０１５５】
なお、実施例４においては、凸部４６４ｂを入力側クラッチ板４６４に設け、凹部５４１を入力側トルクセンサ５４に設けているがこれに限らない。例えば、凸部を入力側トルクセンサに設け、凹部を入力側クラッチ板に設けてもよい。この場合には、入力側クラッチ板が本発明の第４要素に相当し、入力側トルクセンサが本発明の第３要素に相当する。
【０１５６】
また、実施例４においては、凸部４６４ｂ及び凹部５４１（第３要素及び第４要素）が、入力側クラッチ板４６４とモータＡ２との間（クラッチ機構より駆動要素側）に設けられており、圧電素子４３４（圧電素子）が出力側トルクセンサ７４と出力部Ｂとの間（クラッチ機構より被駆動要素側）に設けられているが、これに限らない。例えば、第３要素及び第４要素を、クラッチ機構より非駆動要素側に設け、圧電素子をクラッチ機構より駆動要素側に設けてもよい。
【０１５７】
導電性高分子アクチュエータは、電動機等のモータの駆動源に比べた場合には作動が遅い。このため、導電性高分子アクチュエータを高速な制御に用いることは難しい。しかしながら、導電性高分子アクチュエータは、「単位重量又は単位体積辺りの発生力が大きい」、「軽量」、「駆動構造が単純で小型化できる」、「分子レベルの作動であるため駆動音がない（又はあってもノイズとなるような音にはならない）」及び「低電圧で駆動可能」等の様々な利点がある。
【０１５８】
このため、導電性高分子アクチュエータの反応速度が許容できる用途であれば、採用するメリットが大きい。例えば、クラッチのような伝達状態と非伝達状態を切り替えるような用途においては、1[ms]等といった高速な制御が必須とはなりにくい。
【０１５９】
また、導電性高分子アクチュエータは、電圧を印加することにより、剛性及び粘性係数が変化する。
【０１６０】
そこで、本発明者は、この点に着目し、実施例１〜３において、負荷を動かすための駆動源としてではなく、剛性及び粘性係数を変化させる部材、及びクラッチ機能を果たす部材として採用するに至った。これにより、動力伝達装置に従来のクラッチ機構を配置するものに比べて、重量及び大きさの点で有利な動力伝達装置を構成できる。
【０１６１】
更に、導電性高分子アクチュエータは、剛性及び粘性係数を変化させることができるので、弾性部材の剛性を変化させるための機構と粘性部材の粘性係数を変化させるための機構とを別途備えるものに比べて、構造を簡単にでき、部品点数を減少でき、軽量化及び小型化が可能となった。
【符号の説明】
【０１６２】
１…動力伝達装置（本実施形態の動力伝達装置）、Ａ２…モータ（駆動要素）、Ａ４…制御装置（第１変更部、第２変更部、電圧印加部、制御手段）、Ｂ…出力部（被駆動要素）、Ｖ１…所定の電圧（所定の電圧）、４１…可変剛性部（第１要素）、４２…可変粘性係数部（第２要素）、１１…動力伝達装置（実施例１の動力伝達装置）、４０１…中間部材（実施例１の第１要素、第２要素、導電性高分子アクチュエータ）、１２…動力伝達装置（実施例２の動力伝達装置）、４０２…中間部材（実施例２の第１要素、第２要素、導電性高分子アクチュエータ）、４６２…入力側クラッチ板（凸部）、１３…動力伝達装置（実施例３の動力伝達装置）、４０３…中間部材（実施例３の第１要素、第２要素、導電性高分子アクチュエータ）、１４…動力伝達装置（実施例４の動力伝達装置）、４１４…非線形ばね（第１要素、剛性変化部）、４２４…可変粘性係数部（粘性係数変化部）、５４１…凹部（第２要素、第４要素、凹部）、５４２…グリス（粘性液）、４６４…入力側クラッチ板（第２要素、第３要素）、４６４ｂ…凸部（第２要素、凸部）、４３４…圧電素子。
【図１】
0006006965.tif 000003
【図２】
0006006965.tif 000004
【図３】
0006006965.tif 000005
【図４】
0006006965.tif 000006
【図５】
0006006965.tif 000007
【図６】
0006006965.tif 000008
【図７】
0006006965.tif 000009
【図８】
0006006965.tif 000010
【図９】
0006006965.tif 000011
【図１０】
0006006965.tif 000012