(57)【要約】  アクチュエータアレイは、複数のアクチュエータ（１００，２１０）を備える。各アクチュエータは、可動子（１００）と固定子（２１０）とを含む。アクチュエータは、駆動時には収縮動作する。また、非駆動時には、可動子（１００）と固定子（２１０）は、相対的に自在に動く。アクチュエータ同士は、固定子（２１０）により直列に接続される。あるいは、アクチュエータ同士は、可動子（１００）の間の弾性体（７００）により並列に接続されている。
2009084305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータアレイであって、
複数のアクチュエータ（１００，２００；１００，２５０；１００，２１０；１００，２２０；１００，２３２；１００，２４０；１１０，２００；１２０，２００；１３０，２１０；１４０，２９０；３００，４０２）を備え、
隣接する前記アクチュエータは、互いに接続されており、
前記複数のアクチュエータの各々は、固定子（２００，２１０，２２０，２３２，２４０，２５０，２９０，４０２）および可動子（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，３００）を含み、
前記固定子および前記可動子は、非駆動時において、所定の移動軸に沿って相対移動が可能であり、
前記固定子は、駆動時において、少なくとも径方向に変位を生じる変位部を有し、
前記可動子は、前記固定子の前記変位部による変位を受けて、前記移動軸の一方向に作用力を及ぼす受圧部（１０２，１１２，１２２，４０４）を有し、
駆動時に前記受圧部が発生する作用力は、非駆動時に前記固定子および前記可動子が相対移動するのに要する力に比較して大きい、アクチュエータアレイ。
【請求項２】
複数の前記アクチュエータは直列接続されている、請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項３】
複数の前記アクチュエータは並列接続されている、請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項４】
互いに直列接続された、複数の前記並列接続された複数の前記アクチュエータを含む、請求の範囲第３項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項５】
前記可動子同士が弾性的に接続されることで、複数の前記アクチュエータが並列接続されている、請求の範囲第３項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項６】
複数の前記アクチュエータは、共通の駆動信号に対して互いに異なる応答特性を有する複数のアクチュエータ群を含む、請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項７】
前記複数のアクチュエータ群は、前記共通の駆動信号に対して互いに異なるタイミングで動作する、請求の範囲第６項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項８】
各前記アクチュエータ群は、前記アクチュエータアレイの端から順に、動作タイミングの順番に配置されている、請求の範囲第７項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項９】
前記複数の前記アクチュエータは、前記共通の駆動信号に対して互いに異なる出力エネルギーを発生する、請求の範囲第６項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項１０】
複数の前記アクチュエータのうち、駆動する前記アクチュエータの個数を変更できる、請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項１１】
請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイを共通の駆動信号によって駆動する駆動方法であって、
複数の前記アクチュエータを複数のアクチュエータ群に分け、各前記アクチュエータ群の前記駆動信号に対する応答特性が、互いに異なるものになるように設定するステップと、
前記反応特性を設定された各前記アクチュエータに前記駆動信号を与えるステップとを含む、アクチュエータアレイの駆動方法。
【請求項１２】
請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイを共通の駆動信号によって駆動する駆動方法であって、
各前記アクチュエータには、コンデンサを含む電源供給系が、前記駆動信号が与えられたときに電圧を供給し、
複数の前記アクチュエータを複数のアクチュエータ群に分け、各前記アクチュエータ群に含まれる前記コンデンサの容量を、互いに異なるものになるように設定するステップと、
各前記アクチュエータに前記駆動信号を与えるステップとを含む、アクチュエータアレイの駆動方法。
【請求項１３】
請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイを駆動信号によって駆動する駆動方法であって、
前記駆動信号によって駆動される前記アクチュエータの個数を設定するステップと、
各前記アクチュエータに前記駆動信号を与えるステップとを含む、アクチュエータアレイの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数のアクチュエータを配列したアクチュエータアレイに関し、特に人工筋肉に好適なアクチュエータアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、用途に応じて様々な種類のアクチュエータ（駆動装置）が開発されている。アクチュエータは単独で用いられることもあるが、回転方向や、アクチュエータの伸び方向、あるいは、伸び量を変えるなどの目的で、複数のアクチュエータを接続して用いることも一般的である。【０００３】
例えば、特許文献１（特開２００５−８３４４７号公報）には、加圧による変異量が互いに異なる２つの中空弾性体を直列に連結した膨張収縮構造体が開示されている。一方の中空弾性体は、応答性が悪く、また低精度だが、変位が大きく、また、外力に対する柔軟性が高いという特性を持つ。これに対し、他方の中空弾性体は、変位が小さく、柔軟性が低いものの、応答性がよく、かつ、高精度であるという特性を持つ。したがって、開示された膨張収縮構造体は、大変位で、柔軟性が高く、応答性もよく、かつ、高精度であるという特性を有する。【０００４】
また、近年、生物がもつ筋肉の機構に着目した人工的なアクチュエータ、いわゆる人工筋肉と呼ばれるアクチュエータが注目されている。このような人工筋肉においては、生物の筋肉と同様に、小さな変位をもつアクチュエータを多数組み合わせることで、巨大変位を発生させるものが多い。特許文献２（特開２００１−１７０８８４号公報）には、アクチュエータを、その軸方向に沿って、複数直列接続した繊維状のアクチュエータや、繊維状のアクチュエータを複数本束ねた筋肉状のアクチュエータアレイが開示されている。
【特許文献１】特開２００５−８３４７７号公報
【特許文献２】特開２００１−１７０８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のアクチュエータを複数配列したアクチュエータアレイの制御は、アクチュエータアレイに含まれるアクチュエータの数が増えるにつれ困難になる。特に、多数のアクチュエータを用いる人工筋肉などの制御は困難である。【０００６】
まず、従来のアクチュエータの伸長量あるいは収縮量は、駆動信号によって定まるものであるため、すべてのアクチュエータの動作を制御しなければ、アクチュエータ同士の間隔が保てない。したがって、アクチュエータの数の増加にともない、制御に必要な信号の数が増加する。【０００７】
また、従来のアクチュエータを用いたアクチュエータアレイにおいては、各アクチュエータの発生力を協調的に制御するため、駆動信号のタイミングも重要である。しかしながら、多数の駆動信号のタイミングを厳密に制御することは容易ではない。【０００８】
さらに、各アクチュエータへの指令値は、アクチュエータアレイにどのような動作をさせるかの目標値を分解して求めることとなるが、この分解の仕方が一意に決まらないと、制御が不安定になってしまうという問題もある。【０００９】
これらの問題に加え、１つのアクチュエータが故障してしまうと、アクチュエータ全体の制御ができなくなってしまうという問題もある。【００１０】
本願発明は、上述の問題を解決するためになされたものであって、人工筋肉に適したアクチュエータアレイを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明のある局面に従えば、固定子および可動子を含むアクチュエータを複数備えるアクチュエータアレイを提供する。隣接するアクチュエータは、互いに接続されている。固定子および可動子は、非駆動時において、所定の移動軸に沿って相対移動が可能である。固定子は、駆動時において、少なくとも径方向に変位を生じる変位部を有する。可動子は、固定子の変位部による変位を受けて、移動軸の一方向に作用力を及ぼす受圧部を有する。駆動時に受圧部が発生する作用力は、非駆動時に固定子および可動子が相対移動するのに要する力に比較して大きい。【００１２】
好ましくは、複数のアクチュエータは直列接続されている。
好ましくは、複数のアクチュエータは、並列接続されている。【００１３】
さらに好ましくは、アクチュエータアレイは、互いに直列接続された、複数の並列接続された複数のアクチュエータを含む。【００１４】
さらに好ましくは、複数のアクチュエータは、可動子同士が弾性的に接続されることで、並列接続されている。【００１５】
好ましくは、複数のアクチュエータは、共通の駆動信号に対して互いに異なる応答特性を有する複数のアクチュエータ群を含む。【００１６】
さらに好ましくは、複数のアクチュエータ群は、共通の駆動信号に対して互いに異なるタイミングで動作する。【００１７】
さらに好ましくは、各アクチュエータ群は、アクチュエータアレイの端から順に、動作タイミングの順番に配置されている。【００１８】
さらに好ましくは、複数のアクチュエータは、共通の駆動信号に対して互いに異なる出力エネルギーを発生する。【００１９】
好ましくは、複数のアクチュエータのうち、駆動するアクチュエータの個数を変更できる。【００２０】
この発明の別の局面に従えば、上記のアクチュエータアレイを共通の駆動信号によって駆動する駆動方法を提供する。駆動方法は、複数のアクチュエータを複数のアクチュエータ群に分け、各アクチュエータ群の駆動信号に対する応答特性が、互いに異なるものになるように設定するステップと、反応特性を設定された各アクチュエータに駆動信号を与えるステップとを含む。【００２１】
この発明のさらに別の局面に従えば、上記のアクチュエータアレイを共通の駆動信号によって駆動する駆動方法を提供する。各アクチュエータには、コンデンサを含む電源供給系が、駆動信号が与えられたときに電圧を供給する。駆動方法は、複数のアクチュエータを複数のアクチュエータ群に分け、各アクチュエータ群に含まれるコンデンサの容量を、互いに異なるものになるように設定するステップと、各アクチュエータに駆動信号を与えるステップとを含む。【００２２】
この発明のさらに他の局面に従えば、上記のアクチュエータアレイを駆動信号によって駆動する駆動方法を提供する。駆動方法は、駆動信号によって駆動されるアクチュエータの個数を設定するステップと、各アクチュエータに駆動信号を与えるステップとを含む。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係るアクチュエータアレイは、駆動時には軸上の１方向に収縮し、非駆動時には自在に移動するアクチュエータを備える。したがって、アクチュエータアレイの動作の制御にあたっては、アクチュエータアレイに含まれるすべてのアクチュエータの動作を制御する必要がない。よって、本発明によれば、人工筋肉に適したアクチュエータアレイを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明に係るアクチュエータを適用した機構の一例を示す図である。
【図２】この発明に係るアクチュエータの要部を示す断面図である。
【図３】図２に示したアクチュエータの動作原理を説明するための図である。
【図４】固定子２００の構造を示す模式図である。
【図５】変形例に従う固定子２５０の構造を示す模式図である。
【図６】回転体で偏心力を発生させることで変位を発生するアクチュエータの構造を示す模式図である。
【図７】実施の形態１に従うアクチュエータの構造を示す模式図である。
【図８】実施の形態１に従うアクチュエータの要部を説明するための図である。
【図９】実施の形態１に係るアクチュエータアレイの構造を示した図である。
【図１０】実施の形態２に係るアクチュエータアレイの構造を示した図である。
【図１１】実施の形態３に係るアクチュエータアレイの構造を示した図である。
【図１２】実施の形態４に係るアクチュエータアレイの構造を示した図である。
【図１３】同一の信号に対する応答開始時刻が互いに異なる２つのアクチュエータについて説明するための図である。
【図１４】電子ボリュームを用いて各エレメントの閾値を設定する回路の図である。
【図１５】実施の形態６に係る電源供給系の図である。
【図１６】エレメントの励起数と歪−応力特性の関係を示す図である。
【図１７】図７のアクチュエータの変形例に従うアクチュエータの要部を説明するための図である。
【図１８】相転移による体積変化を利用して変位を発生するアクチュエータの構造を示す模式図である。
【図１９】クリアランスを設けたアクチュエータの可動子と固定子との接触構造を示す模式図である。
【図２０】支持部材を設けたアクチュエータの可動子と固定子との接触構造を示す模式図である。
【図２１】その固定子が可とう性を有するアクチュエータを直列接続した構成の一例を示す図である。
【図２２】固定子と可動子との間の相対移動を所定範囲に規制するための構成を有するアクチュエータの要部を示す断面図である。
【図２３】固定子内に可動子が収容されるアクチュエータの要部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  機構、１０，２０  部材、１０２，４０４  受圧部、１００，１１０，１２０，１３０，１４０，３００  可動子、１１２  クリアランス、１２２  突起部、１３２  スリット、２００，２１０，２２０，２４０，２５０，２９０，４０２  固定子、２０２  シム材、２０４ａ  圧電部材、２０６ａ  表面電極、２０８  交流電圧源、２１２  回転体、２１４  回転軸、２１６  偏心体、２１８  配線、２２２  変位部、２２４  形状記憶合金ファイバ、２２６  リング部材、２２８  電流源、２３０  バネ部材、２３４  変位部、２４２  膨張収縮部、２４４  ヒータ部、２４６  電源部、２４８  媒質、２５２  コア部、２５４ａ，２５４ｂ，２５８ａ，２５８ｂ，２５８ｃ，２５８ｄ  電極、２５６  クラッド部、２５９  直流電圧源、２９２，２９４  ストッパ部、３０２  回転体、３０４  偏心体、５１０  接続子、５２０  接続点、６００  平板、  ７００  弾性体、８１０  マイコン、８２０  マルチプレクサ、８３１，８４１，８５１  電子ボリューム、８３２，８４２，８５２  抵抗、８３３，８４３，８５３  電源、８３４，８４４，８５４  コンパレータ、８３５，８４５，８５５  正電源、８３６，８４６，８５６  負電源、８３７，８４７，８５７  トリガ、９１０  信号発生器、９２０  ダイオード、９３０  電源、９４０  コンデンサ、９５０  スイッチ、９６０  出力端子。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。【００２７】
［概要］
本発明は、生物のもつ筋肉の動作に近似した挙動を実現可能なアクチュエータアレイを提供するものである。【００２８】
生物のもつ筋肉は、アクチンと、アクチン同士を連結するミオシンとを基本構造としている。筋肉の緊張時には、ミオシンがアクチン内に滑り込む（スライドする）ことで、アクチン間の距離が縮まって収縮動作が実現される。一方、筋肉の弛緩時には、アクチンとミオシンとの間は非常に緩い結合状態となり、小さい外力でミオシンはアクチンとの相対関係を自在に変化させる。すなわち、生物のもつ筋肉は、緊張状態にあれば一方向に収縮するとともに、弛緩状態にあれば外部からの力を受けて自由に伸張または収縮することになる。【００２９】
図１は、この発明に係るアクチュエータを適用した機構の一例を示す図である。
図１（Ａ）を参照して、機構１は、代表的に、２つの部材１０および２０をリンク結合したものであり、２つの部材１０および２０は、リンク部を中心にして相対的な回転移動が可能である。そして、部材１０と部材２０との間は、紙面上側および紙面下側において、複数の本発明に係るアクチュエータが直列に連結されている。本発明に係るアクチュエータは、基本構造として、可動子（ロータ）１００と、固定子（ステータ）２００とを含む。複数の可動子１００と固定子２００とが交互に連結され、全体的な収縮／弛緩運動を実現する。【００３０】
図１（Ｂ）に示すように、部材２０が部材１０に対して、紙面上側に回転移動する場合には、紙面上側に配置されたアクチュエータが「収縮」動作を行なう一方で、紙面下側に配置されたアクチュエータが「滑り」動作を行なう。【００３１】
図１（Ｃ）に示すように、部材２０が部材１０に対して、紙面下側に回転移動する場合には、紙面下側に配置されたアクチュエータが「収縮」動作を行なう一方で、紙面上側に配置されたアクチュエータが「滑り」動作を行なう。【００３２】
「収縮」動作は、後述するように固定子２００が変位を生じることで可動子１００に対して応力を与え、この応力によって可動子１００と固定子２００とが所定の一方方向に相対移動するものである。また、「滑り」動作は、後述するように可動子１００と固定子２００との間の摩擦力が比較的小さな値に維持された状態で、両者が外部からの力に従って相対移動するものである。すなわち、「滑り」動作を行なうアクチュエータでは、その収縮または伸張に要する仕事量は非常に少なくて済む。その結果、図１（Ｂ）の場合では、紙面上側に配置されたアクチュエータが発生する仕事量は、ほぼすべて部材１０と部材２０との間の相対移動に用いられることになり、高い仕事効率を実現できる。また、図１（Ｃ）においても同様である。【００３３】
さらに、紙面上側および紙面下側に配置された２つのアクチュエータがいずれも「収縮」動作を行なうことで、機構１における剛性を高めることもできる。すなわち、２つのアクチュエータがいずれも「収縮」動作を行なうことで、部材１０と部材２０との間の相対位置を固定することも可能となる。【００３４】
以上のように、実際の生物がもつ関節と同様に、能動筋に相当するアクチュエータと、拮抗筋に相当するアクチュエータとを一対で用いることで、高い自由度をもつ機構やデバイスを実現することができる。【００３５】
［アクチュエータについて］
本発明に係るアクチュエータアレイは、上述の可動子１００と固定子２００を基本構造とするアクチュエータを複数配列したものである。ここで、アクチュエータアレイの基本構造となるアクチュエータについて説明しておく。なお、アクチュエータは、本発明に係るアクチュエータアレイの基本構造となるため、以下では、「エレメント」と呼ぶこともある。【００３６】
＜全体構成＞
本発明に係るアクチュエータの構成の一例について、図２を参照して説明する。図２は、本発明に係るアクチュエータの要部を示す断面図である。図２（Ａ）は、伸張状態を示し、図２（Ｂ）は、収縮状態を示す。【００３７】
図２を参照して、本発明に係るアクチュエータは、中空の可動子（ロータ）１００と、ロッド状の固定子（ステータ）２００とを含む。可動子１００および固定子２００は、共通の軸に沿って配置され、所定の移動軸に沿って相対移動可能に構成される。すなわち、ロッド状の固定子２００がその両端に位置する可動子１００内に収容されることで、隣接する可動子１００の間の距離が縮まって収縮動作が実現される。なお、可動子１００および固定子２００は、その断面が円形である円柱形状であってもよいし、その断面が多角形である多角柱形状であってもよい。以下の説明では、説明の便宜上、可動子１００および固定子２００が円柱形状である場合について例示する。【００３８】
本明細書において、「可動子」または「ロータ」との名称は、外見上、隣接するもの同士の距離が変化することに着目して付したものであり、「固定子」または「ステータ」との名称は、外見上、自身が移動することはないことに着目して付したものである。しかしながら、これらの名称は便宜的のものに過ぎず、これらの意義はその名称に拘泥されるものではない。【００３９】
図２（Ａ）に示すように、可動子１００の両端の略中心軸には、それぞれ固定子２００が貫通するための穴部が形成されており、固定子２００が自在に滑り（スライド）可能に構成される。以下の説明では、可動子１００および固定子２００の中心軸に沿った方向を「軸方向」とも称し、この軸方向に対して垂直な方向を「径方向」とも称す。【００４０】
可動子１００の穴部には、軸方向に沿った径方向の大きさ（半径）が不均一な受圧部１０２が形成されている。図２（Ｂ）に示すように、アクチュエータの駆動時において、固定子２００は少なくとも径方向の変位（変形）を生じる。受圧部１０２は、この固定子２００による径方向の変位を受けて、可動子１００および固定子２００を軸方向に沿って所定の向き（可動子１００同士が近接する向き）に相対移動させるための作用力を及ぼす。【００４１】
すなわち、駆動時には、固定子２００が径方向に押し広げるような力を連続的に発生することで、固定子２００がその両端に位置する可動子１００内に収容され、この結果、隣接する可動子１００の間の距離が縮まって収縮動作が実現される。一方、非駆動時には、可動子１００と固定子２００との間には、相対的に低い摩擦力のみが生じるので、外部からの僅かな力を受けて両者は自在に相対移動できる。【００４２】
＜動作原理＞
図３は、図２に示したアクチュエータの動作原理を説明するための図である。図３（Ａ）は、駆動時の収縮動作を示し、図３（Ｂ）は、非駆動時の滑り動作を示す。【００４３】
図３（Ａ）を参照して、本実施の形態に従うアクチュエータでは、駆動時には固定子２００が少なくとも径方向に変位（変形）を生じ、この変位によって可動子１００の受圧部１０２は応力Ｆを受ける。【００４４】
可動子１００には、軸方向に沿った径方向の大きさ（半径）が不均一に形成された受圧部１０２が形成されている。代表的に、受圧部１０２は、軸方向を中心としたテーパー形状を有し、固定子２００から受けた応力から軸方向に非対称な分力（作用力）を発生する。すなわち、本実施の形態に従う受圧部１０２は、その面に応力Ｆを受けると、軸方向に沿って紙面右向きの作用力Ｆａを及ぼす。この作用力Ｆａによって、可動子１００が紙面右向きに移動する力、および固定子２００が紙面左向きに移動する力が生じる。【００４５】
なお、受圧部１０２の形状としては、テーパー形状に限定されることなく、固定子２００から受けた応力から軸方向に非対称な分力（作用力）を発生できる形状であればいずれの形状であってもよい。【００４６】
図３（Ｂ）を参照して、本実施の形態に従うアクチュエータでは、非駆動時には固定子２００が軸方向に延伸する形状を維持するので、可動子１００と固定子２００とは、受圧部１０２の一部と接触し得るものの、その摩擦力は相対的に小さい。したがって、非駆動時には、可動子１００と固定子２００との間は、その相対関係を自在に変化させることができる。【００４７】
そのため、本実施の形態に従うアクチュエータは、非駆動時において、わずかな仕事量で位置関係を変化させる「滑り」動作を実現できる。【００４８】
＜固定子の構造＞
以下、図４を参照して、図２に示した固定子２００の構造について説明する。図４は、固定子２００の構造を示す模式図である。可動子１００の受圧部に対して応力を与えることが可能な固定子２００の一例として、電圧を印加されることで圧電効果、電歪効果、磁歪効果、マクスウェル力などによってひずみを生じるひずみ部材を用いて構成することができる。すなわち、変位部の主構成部材として、逆圧電作用によって変形する圧電材料を含む固定子２００を用いることができる。【００４９】
図４を参照して、本実施の形態に従う固定子２００は、いわゆるバイモルフ構造であり、その表面に銅などの導電性材料が形成されたシム材２０２と、シム材２０２の両サイドにそれぞれ接着された圧電部材２０４ａおよび２０４ｂと、圧電部材２０４ａおよび２０４ｂの外周側の表面に形成された表面電極２０６ａおよび２０６ｂとからなる。なお、シム材２０２は、非駆動時に固定子２００全体を軸方向に向けるための弾性補強部材である。【００５０】
アクチュエータの駆動時において、シム材２０２と、表面電極２０６ａおよび２０６ｂとの間には、交流電圧源２０８によって所定の交流電圧が印加される。圧電部材２０４ａおよび２０４ｂには、シム材２０２を中心として対称の電界が印加されるので、圧電部材２０４ａおよび２０４ｂに生じる内部電界の方向は、互いに反対になる。ここで、圧電部材２０４ａおよび２０４ｂは、印加される電界の方向によって伸縮方向を異ならせる異方性を有している。そのため、圧電部材２０４ａおよび２０４ｂに上述のような交流電圧が印加されると、圧電部材２０４ａおよび２０４ｂのうち一方は伸張し、他方は収縮することになる。したがって、交流電圧源２０８が交流電圧を印加、すなわち圧電部材２０４ａおよび２０４ｂでの電界方向を所定時間毎に切り換えることで、固定子２００全体として、径方向（図４では、紙面上下方向）に周期的に変形することになる。【００５１】
駆動時には、このような固定子２００の周期的な変形によって、上述した受圧部１０２によって軸方向の作用力が発生し、可動子１００同士の収縮動作が実現される。一方、非駆動時には、固定子２００が軸方向に延伸した形状を維持するので、滑り動作を実現することもできる。【００５２】
また、上述のようなバイモルフ構造に代えて、１層の圧電部材を用いたユニモルフ構造を採用することもできる。なお、この場合の断面形状は、多角形となるので、可動子１００の両端には、楕円または多角形の穴部を形成することが好ましい。【００５３】
さらに、このようなバイモルフ構造を用いた別形態として、２本の圧電ファイバを対にして用いる構成も可能である。この圧電ファイバは、所定の金属材料からなるコア部を配置し、このコア部の周辺に圧電部材でクラッド部を形成するとともに、クラッド部の外表面にスパッタリングなどを用いて電極を形成することで製造される。さらに、このように製造された２つの圧電ファイバをペアにし、長手方向に沿って互いに接着することで、バイモルフ構造とすることができる。【００５４】
このような一対の圧電ファイバからなるバイモルフ構造では、コア部と外表面の電極との間に、互いに逆位相の交流電圧をそれぞれの圧電ファイバに印加することで、径方向に周期的に変形させることができる。なお、この場合の断面形状は、楕円または多角形となるので、可動子１００の両端には、楕円または多角形の穴部を形成することが好ましい。【００５５】
さらに、電圧を印加されることで生じる圧電効果、電歪効果、マクスウェル力などによってひずみを別の形で変位として取り出すこともできる。【００５６】
図５は、変形例に従う固定子２５０の構造を示す模式図である。
図５を参照して、変形例に従う固定子２５０は、導電性のコア部２５２と、コア部２５２の周辺に同心円状態に形成されたクラッド部２５６とを備える。クラッド部２５６は、圧電部材、電歪部材、誘電部材などを含み、電圧の印加によって生じる内部電界を受けて変位を生じる。なお、コア部２５２は、金属または導電性のフィラーを混入したポリマーなどからなる。また、クラッド部２５６を形成する圧電部材、電歪部材、誘電部材は、セラミックスまたはポリマー、あるいはそれらのコンポジット（混合）などからなる。【００５７】
クラッド部２５６の軸方向の各端面には、コア部２５２と電気的に接続された電極２５４ａ，２５４ｂが形成され、電極２５４ａ，２５４ｂはクラッド部２５６の軸方向への延びを規制する機能も果たす。また、クラッド部２５６の周囲には、電極２５８ａ，２５８ｂ，２５８ｃ，２５８ｄが形成されている。【００５８】
アクチュエータの駆動時において、電極２５４ａ，２５４ｂおよびコア部２５２と、電極２５８ａ，２５８ｂ，２５８ｃ，２５８ｄとの間には、直流電圧源２５９によって所定の直流電圧が印加される。この結果、クラッド部２５６には分極作用によって変位が生じ、軸方向への変形は電極２５４ａ，２５４ｂによって規制されるため、この生じた変位は径方向への変形として現れる。【００５９】
駆動時には、このような固定子２５０の径方向への変形によって、上述した受圧部１０２によって軸方向の作用力が発生し、可動子１００同士の収縮動作が実現される。一方、非駆動時には、固定子２５０は元の（変形がない）形状を維持するので、滑り動作を実現することもできる。【００６０】
なお、上述した固定子２００，２５０で生じる変位は、軸を中心として生じるようにしてもよいし、尾ひれ運動のように、軸からずれた位置を中心として生じるような変位であってもよい。【００６１】
これらのアクチュエータによれば、駆動時には、固定子が少なくとも径方向の変位を発生させることで、固定子が対応の可動子の中に収容されることで、可動子間の収縮動作を行なうとともに、非駆動時には、可動子と固定子とは、外部からの僅かな力を受けて自在に相対移動できる。そのため、生物のもつ筋肉の動作に近似した挙動を実現できる。【００６２】
また、これらのアクチュエータによれば、可動子と固定子との間の静止摩擦力が小さいので、駆動時における磨耗を低減することができる。そのため、アクチュエータの寿命を延ばすことができる。【００６３】
これまでは、圧電効果、電歪効果、磁歪効果、マクスウェル力などによって生じるひずみを利用して変位を発生する構成について例示したが、回転体で偏心力を発生させることで変位を発生する構成を用いることもできる。【００６４】
図６は、回転体で偏心力を発生させることで変位を発生するアクチュエータの構造を示す模式図である。【００６５】
図６に示したアクチュエータは、図２で説明したものと同様の可動子１００と、固定子２１０とを含む。本アクチュエータにおける可動子１００については、図２で説明したものと同様であるので、詳細な説明は繰返さない。【００６６】
固定子２１０は、その両サイドに配置された回転体２１２と、回転体２１２の回転軸２１４から偏心して連結された偏心体２１６とを含む。回転体２１２は、代表的にモータなどの電動機からなり、アクチュエータの駆動時において、図示しない電源装置から配線２１８を介して電力が供給される。この固定子２１０と一体化された回転体２１２の回転に伴って偏心体２１６も回転し、この偏心体２１６の回転に伴って径方向に偏心力が生じる。そして、この径方向への偏心力によって、固定子２１０の両端部が径方向に変形を生じる。【００６７】
なお、上述したような、その回転軸を固定子２１０の中心軸と一致させて電動機を配置するとともに、この電動機の回転軸に偏心体を付加する構成に代えて、断面形状の不均一にし、電動機自体から偏心力が発生するようにしてもよい。【００６８】
その他の構成については、すでに説明したものと同様であるので、詳細な説明は繰返さない。【００６９】
このアクチュエータによれば、図２に示したアクチュエータと同様の効果を発揮できるとともに、適切なモータを選択することで、任意の駆動力を実現することができる。【００７０】
［実施の形態１］
本発明に係るアクチュエータアレイは、上述のような、駆動時に収縮し、非駆動時にはその固定子と可動子が相対的に自在に移動するアクチュエータを複数組み合わせたものである。【００７１】
本実施の形態に係るアクチュエータアレイは、図７に示すようなアクチュエータを基本構造とするものとする。【００７２】
図７は、この発明の実施の形態１に従うアクチュエータの構造を示す模式図である。
図７を参照して、本実施の形態に従うアクチュエータは、上述の実施の形態１と同様の可動子１００と、固定子２２０とを含む。本実施の形態に従うアクチュエータにおける可動子１００については、図２と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。固定子２２０は、代表的にマルテンサイト変態によって形状を変化させる変位部２２２を有しており、この変位部２２２による変位を受けて、アクチュエータの収縮動作が実現される。なお、本実施の形態における変位部２２２の変位速度は、図２に示したアクチュエータの変位速度に比較して、緩やかである。【００７３】
図８は、この発明の実施の形態１に従うアクチュエータの要部を説明するための図である。【００７４】
図８（Ａ）および図８（Ｂ）を参照して、本実施の形態に従う可動子は、Ｔｉ−Ｎｉ系材料からなる形状記憶合金ファイバ２２４を用いて構成される。より具体的には、形状記憶合金ファイバ２２４には、高温時の記憶形状として、ほぼ直線状の形状を与えておく。そして、この形状記憶合金ファイバ２２４を室温下においてコイル状に巻き、このコイル形状にした形状記憶合金ファイバ２２４を、たとえばゴムなどの弾性材料からなるリング部材２２６により結束する。【００７５】
このように構成された変位部２２２を加熱すると、形状記憶合金ファイバ２２４は記憶形状である直線形状に戻ろうとするため、変位部２２２の剛性が高まる。その結果、形状記憶合金ファイバ２２４は、リング部材２２６による締め付け力を超えて、径方向に押し広がっていく。【００７６】
本実施の形態に従う変位部２２２は、このような形状記憶合金ファイバ２２４が発生する径方向へ押し広がる力を用いて、径方向の変位（変形）を生じる。【００７７】
図８（Ｃ）を参照して、本実施の形態では、電流源２２８から形状記憶合金ファイバ２２４に電流を通電し、この電流によって生じるジュール熱を用いて、形状記憶合金ファイバ２２４を加熱する。なお、形状記憶合金ファイバ２２４は、変態点を超えなければ変形を生じないので、電流源２２８の電流供給能力は、形状記憶合金ファイバ２２４の変態点に応じて適切に設計される。すなわち、電流源２２８は、形状記憶合金ファイバ２２４に対して変態点をまたぐ温度変化を与えることができるように、その供給電流値が設計される。【００７８】
このように、本実施の形態に従うアクチュエータにおいては、駆動時には、形状記憶合金ファイバ２２４が加熱されて径方向に押し広げるような力を連続的に発生させることで、固定子２２０が可動子１００内に収容され、この結果、隣接する可動子１００の間の距離が縮まって収縮動作が実現される。一方、非駆動時には、冷却されることで形状記憶合金ファイバ２２４の剛性が低下し、リング部材２２６による締め付け力によって形状記憶合金ファイバ２２４は押し潰される。その結果、可動子１００と固定子２２０とは、外部からの僅かな力を受けて両者は自在に相対移動できるようになる。【００７９】
なお、形状記憶合金ファイバ２２４を加熱する方法としては、上述したように、電流源２２８から形状記憶合金ファイバ２２４に通電する構成に代えて、可動子１００の内側または外側に配置された熱源を用いて、形状記憶合金ファイバ２２４を直接的または間接的に加熱してもよい。【００８０】
このアクチュエータは、図２に示したものと同様の効果を発揮できるとともに、変位の発生に要する時間が長いので、よりゆっくりと変位を生じさせる必要のあるアプリケーションに適する。【００８１】
なお、本実施の形態においては、図７に示したアクチュエータを基本構造とするアクチュエータアレイを説明するが、他の構造のアクチュエータを用いてもよい。例えば、図２に示したアクチュエータを用いてもよいし、後述する他の構成のアクチュエータを用いてもよい。【００８２】
図９を参照して、実施の形態１に係るアクチュエータアレイの構造について説明する。図９は、実施の形態１に係るアクチュエータアレイの構造を示した図である。【００８３】
図９に示すように、実施の形態１に係るアクチュエータアレイは、複数のアクチュエータが直列接続された構造を含む。ここで複数のアクチュエータが「直列接続」されているとは、アクチュエータの固定子同士が接続されていることを指す。なお、ここでの固定子同士の接続には、２つのアクチュエータに含まれる固定子が一体的に形成されている場合も含む。図に示したのは、このような場合である。【００８４】
また、実施の形態１に係るアクチュエータアレイは、複数のアクチュエータの末端が、接続子５１０により１つの接続点５２０で接続されている構造を含む。接続点５１０を動かそうとする対象物に接続することで、接続点５１０が作用点となって、対象物に力を及ぼすことができる。なお、ここでは複数のアクチュエータを１つの接続点に接続する構成を示したが、１枚の平板に接続し、その平板を作用面とすることで、対象物に力を及ぼすという構成もとれる。【００８５】
直列に接続された複数のアクチュエータを変位させることにより、単独のアクチュエータに比べ、大きな変位を得ることができる。【００８６】
また、１つの接続点あるいは平板に接続された複数のアクチュエータを同時に駆動することで、単独のアクチュエータに比べ、大きな力を発生することができる。【００８７】
本発明の特徴的な点は、１つの固定子２１０が変形すると、それに対応する可動子１００が動かされ、それに伴って、その可動子１００に並列に接続された別の可動子１００が動かされることにある。各アクチュエータは、非駆動時には、自在に移動するため、他のアクチュエータの駆動の妨げとならない。また、複数のアクチュエータが駆動されている場合も、駆動されている各アクチュエータは収縮動作を行なうため、全体として必ず収縮するように動作する。駆動信号のタイミングによって、発生する力が打ち消しあうといったことは起こらない。また、仮に、故障しているアクチュエータがあったとしても、他のアクチュエータによって、収縮動作を実現できる。よって、このアクチュエータアレイは、含まれる少なくとも１つのアクチュエータの動作を制御することによって、その動作を制御できるという特性を持つ。【００８８】
［実施の形態２］
図１０を参照して、実施の形態２に係るアクチュエータアレイの構造について説明する。図１０は、実施の形態２に係るアクチュエータアレイの構造を示した図である。なお、本実施の形態においては、図７に示したアクチュエータを基本構造とするアクチュエータアレイを説明するが、実施の形態１でも説明したとおり、他の構造のアクチュエータを用いてもよい。【００８９】
図１０に示すように、本実施の形態に係るアクチュエータアレイは、平板６００の一方の面に３つのアクチュエータが接続され、平板６００のもう一方の面に３つのアクチュエータが接続されている。このように平板を介して複数のアクチュエータ同士を直列接続することで、変位および発生力の大きいアクチュエータアレイを実現できる。【００９０】
［実施の形態３］
図１１を参照して、実施の形態３に係るアクチュエータアレイの構造について説明する。図１１は、実施の形態３に係るアクチュエータアレイの構造を示した図である。なお、本実施の形態においては、図７に示したアクチュエータを基本構造とするアクチュエータアレイを説明するが、これまで説明した各実施の形態と同様に、他の構造のアクチュエータを用いてもよい。【００９１】
本実施の形態に係るアクチュエータアレイは、隣接するアクチュエータの固定子１００同士が、弾性体７００により並列接続されている構造をもつ。ここで、「並列接続」とは、アクチュエータの可動子同士が接続されていることを指す。並列接続されたいくつかのアクチュエータがまとまって動くので、個々のアクチュエータに働く力が分散される。【００９２】
なお、接続には弾性体以外のものを用いることもできる。例えば、可動子同士を接着してもよいし、可動子を一体形成してもよい。ただし、各アクチュエータの動作量の差異を吸収するためには、弾性体を用いるのが好ましい。【００９３】
［実施の形態４］
図１２を参照して、実施の形態４に係るアクチュエータアレイの構造について説明する。図１２は、実施の形態４に係るアクチュエータアレイの構造を示した図である。【００９４】
本実施の形態に係るアクチュエータアレイは、アクチュエータを３次元的に配列したものであり、図１２（Ａ）は、実施の形態４に係るアクチュエータアレイの１層の構造を示す図である。図１２（Ｂ）は、実施の形態４に係るアクチュエータアレイを軸方向から見た断面図である。すなわち、アクチュエータアレイは、図１２（Ａ）に示したような層が複数積み重なってできたものである。【００９５】
なお、本実施の形態においては、図７に示したアクチュエータを基本構造とするアクチュエータアレイを説明するが、これまで説明した各実施の形態と同様に、他の構造のアクチュエータを用いてもよい。【００９６】
図１２（Ａ）に示すように、本実施の形態に係るアクチュエータアレイの各層は、複数のアクチュエータが弾性体７００によって並列接続され、さらに、並列接続された各アクチュエータは、他のアクチュエータと直列接続されている構造をもつものとする。ただし、各層は、これまで説明してきた各実施の形態で説明したような構造であってもよい。【００９７】
また、図１２（Ｂ）に示すように、異なる層に含まれるアクチュエータ同士も弾性体７００によって、並列接続されているものとする。このように各層が接続されることにより、本実施の形態に係るアクチュエータアレイは、２次元面上にアクチュエータが配置されたアクチュエータアレイに比べ、さらに大きな力を発生することができる。【００９８】
［実施の形態５］
以上の実施の形態で説明したアクチュエータアレイに含まれるアクチュエータを複数のアクチュエータ群に分け、信号に対する応答性を、アクチュエータ群ごとに変えることで、アクチュエータアレイに、複雑な動作を、容易に行わせることができる。【００９９】
本実施の形態では、同一の信号に対する応答開始時刻が互いに異なる複数のアクチュエータを組み合わせたアクチュエータアレイについて説明する。【０１００】
同一の信号に対する応答開始時刻が互いに異なる複数のアクチュエータは、入力レベルに対する反応の閾値が互いに異なる複数のアクチュエータと、ランプ状に上昇していく入力レベルとを組み合わせることで実現できる。【０１０１】
このことを図１３を用いて説明する。図１３は、同一の信号に対する応答開始時刻が互いに異なる２つのアクチュエータ（それぞれ、Ａエレメント、Ｂエレメントとよぶ）について説明するための図である。図１３（Ａ）は、ＡエレメントおよびＢエレメントに与える信号の入力レベルの時間的変化を表わす図である。入力レベルは、所定の時刻ｔ０までは一定であるが、時刻ｔ０を超えると、所定の時刻を超えた時間に比例して、増加していく。また、図１３には、Ａエレメントの閾値およびＢエレメントの閾値を合わせて示している。【０１０２】
図１３（Ａ）に示す信号が入力された場合、Ａエレメントは、図１３（Ｂ）に示すような応答を示す。すなわち、入力レベルがＡエレメント閾値に達する時刻ｔＡまでは信号への応答を示さないが、時刻ｔＡ以降は信号への応答を示す。【０１０３】
一方、Ｂエレメントは、図１３（Ａ）に示す信号が入力された場合、図１３（Ｃ）に示すような応答を示す。すなわち、入力レベルがＢエレメント閾値に達する時刻ｔＢまでは信号への応答を示さないが、時刻ｔＢ以降は信号への応答を示す。【０１０４】
上記の説明から分かるように、入力レベルに対する応答の閾値が異なるＡエレメントとＢエレメントは、同じ信号を与えられた際に、異なる応答開始時刻を示す。なお、ここでは、所定の時刻を超えた時間に比例して増加する信号を示したが、信号の種類はこれに限られるものではない。時間に応じて、そのレベルが増加あるいは減少する信号であればよい。【０１０５】
さて、具体的な例として、電圧を各エレメントへのトリガとする場合を考える。この場合、電圧で設定したエレメントの閾値と入力電圧とを比較器（コンパレータ）によって比較する。ここで、エレメントの閾値をエレメントごとに変えれば、共通の信号を入力したときの、各エレメントの応答開始時刻を変えることができる。【０１０６】
エレメントの閾値を変えるには、例えば、電子ボリューム、すなわち、外部からのデジタルデータにより、抵抗値を設定できる可変抵抗デバイスを用いることができる。電子ボリュームを用いて各エレメントの閾値を設定する回路について図１４を参照して説明する。図１４は、電子ボリュームを用いて各エレメントの閾値を設定する回路の図である。【０１０７】
閾値の設定にあたっては、まず、マイコン８１０がマルチプレクサ８２０に抵抗値の設定データおよびセレクタ信号を送信する。ここで、設定データは、予め与えられたものであってもよいし、利用者が設定するものであってもよい。マルチプレクサ８２０は、抵抗値の設定データおよびセレクタ信号に基づいて、それぞれエレメントｉ、エレメントｊ、エレメントｋに対応する電子ボリューム８３１、電子ボリューム８４１、電子ボリューム８５１に抵抗値を指定する信号を送信する。【０１０８】
各電子ボリュームに信号が送信されることにより、各エレメントの閾値が設定される。例えば、エレメントｉの閾値は、正電源８３５、負電源８３６から、それぞれ、電圧Ｖｅｅ、電圧Ｖｃｃが供給されているコンパレータ８３４の非反転入力（＋端子）に入力される電圧ＶＲである。この電圧ＶＲは、電源８３３の電位をＶｃｃ１、抵抗８３２の抵抗値をＲ５＝１ｋΩ、電子ボリュームの抵抗値をＲとすると、ＶＲ＝Ｖｃｃ１×Ｒ／（Ｒ５＋Ｒ）となる。よって、Ｒを変更することにより、ＶＲを変更できる。すなわち、マルチプレクサ８２０への抵抗との設定データを変更することにより、エレメントｉの閾値を変更できる。反転入力（−端子）に入力される信号電圧を、例えば図１０（Ａ）のように時間変化させていき、信号電圧が、閾値である電圧ＶＲを超えると、トリガ８３７への出力が変化する。エレメントｊ、エレメントｋの閾値についても、マルチプレクサ８２０の抵抗の設定データを変更することにより変更できる。【０１０９】
なお、以上では、外部信号により閾値を変更する構成を示したが、閾値を決める素子（例えば、コンパレータ）に、異なる特性を持つものを用いることで、異なるエレメント特性を実現してもよい。【０１１０】
アクチュエータアレイを動作させる際には、含まれるすべてのアクチュエータを同時に動作させるよりも、各アクチュエータをややずらして動作させるほうが、内部に応力歪がたまりにくく、また、各アクチュエータへの負荷が小さい。このようなずらした動作のためには、従来のアクチュエータからなるアクチュエータアレイでは、複数種類の信号を複雑に組み合わせる必要があった。これに対し、本実施の形態に係るアクチュエータアレイでは、上述のように各アクチュエータに対して異なる閾値を設定しておくことで、すべてのアクチュエータに対して共通の信号を用いながら、各アクチュエータの動作タイミングをずらすことができる。【０１１１】
特に、アクチュエータアレイに含まれるアクチュエータをアクチュエータアレイの端から順次動作させると、内部に応力歪がたまるのを防ぐことができる。しわを伸ばしたりする場合に、端から伸ばしていく方が全体のしわが伸びるのと同じ原理である。このような動作は、アクチュエータアレイの端から、動作タイミングの順番にアクチュエータ群を配置することで実現できる。【０１１２】
他にも、例えば、図９に示したアクチュエータアレイにおいて、直列接続されたアクチュエータ群のうち上２列の閾値を大きくし、下２列の閾値を小さくすれば、駆動当初は曲がりを示し、あとから曲がりがなくなる、という複雑な動作を実現できる。【０１１３】
このように各アクチュエータ群に対し、互いに異なる応答特性を設定し、各アクチュエータに共通の駆動信号を与えることで、アクチュエータアレイに様々な動作を行わせることができる。行わせる動作の種類は、複数のアクチュエータをどのようなアクチュエータ群に分割するか、あるいは、各アクチュエータ群にどのような応答特性を設定するかによって決めることができる。【０１１４】
［実施の形態６］
実施の形態５では、アクチュエータアレイに含まれる各アクチュエータの同一の信号に対する応答開始時刻を変更する構成について説明した。本実施の形態では、各アクチュエータの出力エネルギーを変更する構成について説明する。【０１１５】
本実施の形態では、電源供給系を、信号トリガ系とは別々に設計する。本実施の形態に係る電源供給系を図１５に示す。図１５は、実施の形態６に係る電源供給系の図である。【０１１６】
図１５に示すように、本実施の形態に係る電源供給系は、交流電圧を発生する信号発生器９１０と、整流器として用いられるダイオード９２０と、電源９３０と、コンデンサ９４０と、スイッチ９５０と、出力端子９６０とを備える。ここでは、交流電圧の周波数は１ｋＨｚ、電源９３０の発生する電圧Ｖ２は１０Ｖ、コンデンサ９４０の容量Ｃ１は１μＦとする。ただし、これらの値は他の値であっても構わない。また、信号発生器は、交流電圧ではなくパルス電圧を発生するものであってもよい。【０１１７】
スイッチ９５０が、電源９３０側に接続されている間は、１０Ｖの電圧が出力端子９６０に一律に供給される。【０１１８】
スイッチ９５０がコンデンサ９４０側に接続されている状態では、信号発生器９１０が発生した交流電圧は、ダイオード９２０で整流され、コンデンサ９４０に電荷が蓄えられる。コンデンサ９４０の容量に応じた出力エネルギーが出力端子９６０に供給される。【０１１９】
したがって、各アクチュエータへの電源供給系に含まれるコンデンサの容量を変化させることで、出力エネルギーを変化させることができる。応答特性と出力エネルギーを変えることで、アクチュエータアレイの出力特性を変えてやることができる。【０１２０】
複数のアクチュエータをどのようなアクチュエータ群に分割するか、あるいは、各アクチュエータ群に含まれるコンデンサの容量の設定値によって、動作の種類を決定できる点は、実施の形態６と同様である。【０１２１】
［実施の形態７］
以上の各実施の形態で説明したアクチュエータアレイの歪−応力特性、すなわち、アクチュエータアレイの長さと応力との関係は、活性化するアクチュエータの数により、変えることができる。【０１２２】
一例として、１０個のエレメントを並列接続したアクチュエータアレイにおける、エレメントの励起数と歪−応力特性の関係を図１６に示す。なお、ここでは、滑り特性のため、エレメントの長さは、駆動するエレメントの長さに倣うため、横軸を並列接続したエレメント長さにとっている。【０１２３】
本実施の形態に係るエレメントは、収縮量が大きくなると、変位に対するストッパ機構が自動的に働くため、外部に対して発生する力は低下する。また、伸びたときは、固定子側の変形量が小さくなるため、外部に対して発生する力は低下する。よって、駆動時の歪−応力特性を表わす曲線は、図１６に示すように上に凸の曲線となる。励起数を大きくすると、エレメントの収縮量に対して発生する力は大きくなる。よって、励起させるエレメントの数を調節することで、適切な歪−応力特性をもつアクチュエータアレイを実現することができる。【０１２４】
なお、滑り時、つまり、エレメントを駆動していない時の、歪−応力特性も、図１６に示した。エレメントが伸びきる限界長までは、ほとんど摩擦力が働かないため、応力は小さいままだが、限界長に達すると、それ以上エレメントが伸びないため、応力が急激に増加する。【０１２５】
駆動信号によって駆動されるアクチュエータの個数を設定し、各アクチュエータに駆動信号を与えるだけで、同じアクチュエータアレイに、様々な歪−応力特性（弾性率）を示させることができる。【０１２６】
［変形例］
上述の各実施の形態に係るアクチュエータアレイに含まれるアクチュエータは、すでに述べたように、これまで説明したものに限られない。ここでは、アクチュエータの変形例を説明する。【０１２７】
まず、図７に示したアクチュエータの固定子の変形例について説明する。図８に示すように、変位部２２２が全体的に膨張する場合であっても可動子１００の収縮は実現できるが、可動子１００の受圧部１０２に接している部分が大きく膨張する構成がより好ましい。そこで、図１７に示すような形状の変位部を用いることで、可動子１００の収縮速度および収縮量をより大きくすることができる。【０１２８】
図１７は、図７のアクチュエータの変形例に従うアクチュエータの要部を説明するための図である。【０１２９】
図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）を参照して、本実施の形態の変形例に従う可動子は、形状記憶合金からなる変位部２３４を含んで構成される。より具体的には、変位部２３４は、形状記憶合金をらせん状に巻いてバネとして形成したものである。この変位部２３４には、図１７（Ｂ）に示すような中心部が膨らんだ形状を記憶させておく。さらに、変位部２３４は、隣接する変位部２３４（図示しない）とバネ部材２３０を介して相互に連結される。このバネ部材２３０からの張力によって、室温下の変位部２３４は、中心部の膨らみが低減し、略円柱状の形状となる。【０１３０】
このような変位部２３４を図示しない電流源を用いて加熱することで、変位部２３４からは、図１７（Ｂ）に示すような形状に戻ろうとする復元力が発生する。図１７（Ｃ）に示すように、変位部２３４を可動子１００の受圧部１０２に接しておくことで、このような復元力が受圧部１０２に与えられる。その結果、軸方向の作用力が発生し、固定子が可動子１００内に収容される。【０１３１】
このように、本実施の形態に従うアクチュエータにおいては、駆動時には、変位部２３４が加熱されて径方向に押し広げるような力を連続的に発生させることで、固定子が可動子１００内に収容され、この結果、隣接する可動子１００の間の距離が縮まって収縮動作が実現される。一方、非駆動時には、冷却されることで変位部２３４の剛性が低下し、バネ部材２３０の張力によって変位部２３４は押し潰される。その結果、可動子１００と固定子とは、外部からの僅かな力を受けて両者は自在に相対移動できるようになる。【０１３２】
その他の構成については、図７と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
この変形例によれば、図２のアクチュエータと同様の効果を発揮できるとともに、変位の発生に要する時間が長いので、よりゆっくりと変位を生じさせる必要のあるアプリケーションに適する。【０１３３】
また、他の変形例として、相転移による体積変化を利用して変位を発生する構成について説明する。【０１３４】
図１８は、相転移による体積変化を利用して変位を発生するアクチュエータの構造を示す模式図である。【０１３５】
図１８を参照して、本実施の形態に従うアクチュエータは、すでに説明したものと同様の可動子１００と、固定子２４０とを含む。本実施の形態に従うアクチュエータにおける可動子１００については、すでに説明したものと同様であるので、詳細な説明は繰返さない。【０１３６】
固定子２４０は、内圧を受けて少なくとも径方向に外形を変化し得る膨張収縮部２４２と、膨張収縮部２４２に封入され、相転移により体積が変化する媒質２４８とを含む。膨張収縮部２４２は、代表的にゴムなどの弾性体からなる袋状の部材である。また、媒質２４８としては、代表的に水などの常温で液体を維持する物質が好ましい。【０１３７】
さらに、固定子２４０には、媒質２４８を加熱するために膨張収縮部２４２内に設けられたヒータ部２４４と、ヒータ部２４４に電流を供給するための電源部２４６とを含む。【０１３８】
このように構成された固定子２４０内のヒータ部２４４に、電源部２４６から電流を供給し、媒質２４８をその沸点まで加熱すると、媒質２４８は液相から気相へ相転移する。この結果、膨張収縮部２４２の内圧が上昇し、膨張収縮部２４２はその外形を膨張させる。その結果、膨張収縮部２４２は、径方向に押し広がっていく。【０１３９】
本実施の形態に従う固定子２４０は、このような膨張収縮部２４２が発生する径方向へ押し広がる力を用いて、径方向の変位（変形）を生じる。なお、媒質２４８は、転移温度（この場合には、沸点）を超えなければ相転移を生じないので、電源部２４６の電力供給能力は、媒質２４８の転移温度に応じて適切に設計される。すなわち、電源部２４６は、媒質２４８の転移温度をまたぐ温度変化を与えることができるように、その供給能力が設計される。【０１４０】
このように、本実施の形態に従うアクチュエータにおいては、駆動時には、媒質２４８が加熱されて相転移を生じることで、膨張収縮部２４２から径方向に押し広げる力が発生する。この径方向に押し広げる力によって、固定子２４０が可動子１００内に収容され、この結果、隣接する可動子１００の間の距離が縮まって収縮動作が実現される。一方、非駆動時には、膨張収縮部２４２を介して放熱されることで、媒質２４８が冷却されて液体に戻り、膨張収縮部２４２は収縮する。その結果、可動子１００と固定子２４０とは、外部からの僅かな力を受けて両者は自在に相対移動できるようになる。【０１４１】
この変形例によれば、図２のアクチュエータと同様の効果を発揮できるとともに、変位の発生に要する時間が長いので、よりゆっくりと変位を生じさせる必要のあるアプリケーションに適する。【０１４２】
また、非駆動時において、可動子と固定子とが外部からの僅かな力で自在に相対移動できる構成に工夫を加えることもできる。【０１４３】
例えば、アクチュエータの可動子と固定子との間にクリアランスを設けることができる。クリアランスを設けたアクチュエータの可動子と固定子との接触構造を示す模式図を図１９に示す。【０１４４】
図１９に示したアクチュエータにおいては、可動子１１０には、固定子２００の断面形状に比較してより大きな断面形状をもつ穴部が形成されている。すなわち、可動子１１０には、固定子２００に対して所定のクリアランス１１２が設けてあり、固定子２００が径方向に変位を生じない非駆動時には、可動子１１０と固定子２００との相対移動に際して、両者の間に生じる摩擦力（応力）は相対的に小さくなる。【０１４５】
一例として、図６に示すアクチュエータにおいて、固定子２００を外形６ｍｍのシリコンチューブで構成し、可動子１１０を外形１０ｍｍで内径６ｍｍのプラスチック（代表的に、ジュラコン）で構成した場合には、駆動時に両者の間に働く駆動力は０．２Ｎ程度となる。【０１４６】
そこで、固定子２００と可動子１１０との間のクリアランス１１２は、非駆動時の両者の摩擦力が、駆動時の駆動力０．２Ｎより小さくなるように設計することが好ましい。【０１４７】
代替的に、固定子と可動子との間をクリアランスではなく、点接触または線接触などの相対的に摩擦力を低減できるような支持部材を用いてもよい。【０１４８】
図２０は、支持部材を設けたアクチュエータの可動子と固定子との接触構造を示す模式図である。【０１４９】
図２０に示したアクチュエータにおいては、可動子１２０と固定子２００との間には、両者を点接触または線接触で支持するための突起部１２２が設けられている。この突起部１２２は、樹脂または金属からなる線状部材からなる。【０１５０】
このような突起部１２２は、外部からの応力に応じて弾性変形するため、固定子２００の移動に応じて、僅かな力で形状を変化させるため、非駆動時における可動子１２０と固定子２００との相対移動に要する摩擦力を低減できる。【０１５１】
また、図２０に示すような線状部材に代えて、膜状の部材からなる突起部を用いてもよい。【０１５２】
さらに、他の変形例として、加とう性を有する固定子を設けた構造でもよい。図１に示すような機構に本発明に係るアクチュエータを適用する場合には、必要な移動量（変位量）を実現するために、固定子が移動量に応じた長さだけ可動子内に収容される必要がある。すなわち、可動子は、固定子の全長のうち、必要な長さ分だけ収容できるように構成される必要がある。また、本発明に係るアクチュエータを適用する機構に要求される特性によっては、可動子の変位が直線的であるとは限らない。よって、必要に応じて、可とう性を有するように固定子を構成することが好ましい。【０１５３】
図２１は、その固定子が可とう性を有するアクチュエータを直列接続した構成の一例を示す図である。図２１を参照して、本実施の形態では、図６に示す実施の形態のアクチュエータと同様の固定子２１０を含むアクチュエータを用いる場合について例示する。【０１５４】
図２１（Ａ）を参照して、各可動子１３０の両端には、それぞれ固定子２１０が相対移動するための穴部が設けてある。駆動時には、それぞれの固定子２１０が変位を発生させることで、各固定子２１０は、それぞれの端が各可動子１３０の中に収容されることになる。【０１５５】
このとき、各可動子１３０から見ると、両端に位置する固定子２１０がそれぞれその中に進入してくることになり、その結果、隣接する可動子１３０の間の距離が縮まる。このとき、可動子１３０が直線形状であれば、両端に位置する可動子１３０は、略同一の軸上を可動子１３０の中心に向けてそれぞれ移動することになる。しかしながら、適用される機構によっては、外力を受けることによって、両端の可動子１３０が同一の軸上を移動しない場合もある。このような場合には、当該外力に適応できるように、可動子１３０を樹脂などで構成することで、可動子１３０に可とう性（弾性）を持たせることが好ましい。【０１５６】
一方で、非駆動時における滑り動作時には、固定子２１０と可動子１２０との間の伸張動作を妨げないことが必要である。すなわち、可動子１３０は、曲げ方向には柔軟であるが、伸び方向には所定の剛性を持つ必要がある。【０１５７】
そこで、図２１（Ｂ）に示すように、外装にスリット１３２を形成して、曲げ方向の剛性を低減することで、曲げ方向に柔軟であり、かつ伸び方向に剛性をもつ可動子１３０を構成することができる。【０１５８】
あるいは、所定の方向に強化繊維を配合することにより、可動子１３０に配向方向の異方性を持たせるようにしてもよい。【０１５９】
このような形態によれば、アクチュエータの適用される機構（アプリケーション）に応じて、適切な方向に駆動力を発揮できる。【０１６０】
さらに他の変形例として、固定子と可動子との間の相対移動を所定範囲に規制するための構成を有するアクチュエータについて説明する。上述の図１に示すような機構に本発明に係るアクチュエータを適用する場合には、各アクチュエータにどのような外力が加わった場合であっても、アクチュエータを保護する必要があり、このような保護機能の一例として、固定子と可動子との間の相対移動を所定範囲に規制する。【０１６１】
図２２は、固定子と可動子との間の相対移動を所定範囲に規制するための構成を有するアクチュエータの要部を示す断面図である。【０１６２】
図２２を参照して、このアクチュエータは、固定子２９０に可動子１４０との間の相対移動を規制するためのストッパ部２９２，２９４が形成されている。【０１６３】
より具体的には、各固定子２９０の中心部（隣接する可動子１４０の中間）に形成されたストッパ部２９２は、過挿入防止ストッパであり、可動子１４０内における固定子２９０同士の干渉を防止する。すなわち、駆動時の収縮動作では、各可動子１４０にはその両側から固定子２９０が収容されるため、何らの規制を行なわないと、可動子１４０内で隣接する固定子２９０同士が干渉し得る。そこで、そこで、可動子１４０の穴部の断面形状より大きな断面形状をもつストッパ部２９２を形成することで、固定子２９０の干渉防止を行なう。【０１６４】
また、各固定子２９０の両端に形成されたストッパ部２９４は、抜け防止ストッパであり、固定子２９０が可動子１４０から抜け出ることを防止する。すなわち、非駆動時の滑り動作では、可動子１４０と固定子２９０との間の摩擦力は非常に小さいので、僅かな外力を受けて固定子２９０は可動子１４０から抜け出ようとする。そこで、可動子１４０の受圧部の断面形状より大きな断面形状をもつストッパ部２９４を形成することで、固定子２９０の抜け防止を行なう。【０１６５】
なお、可動子１４０にリング状の受圧部を挿入することでアクチュエータを形成する場合には、受圧部自身が抜け出るおそれがあるので、可動子１４０の両端には、受圧部の抜け防止に突起部を設けることが好ましい。【０１６６】
この形態によれば、適用先の機構（アプリケーション）において要求される伸縮特性に関わらず、各アクチュエータを保護することができるのので、アクチュエータの堅牢性を高めることができる。【０１６７】
また、以上においては、可動子内に固定子が収容される構成について例示してきたが、固定子内に可動子が収容されるようにしてもよい。このような変形例について図２３を用いて説明する。図２３は、固定子内に可動子が収容されるアクチュエータの要部を示す断面図である。【０１６８】
図２３に示すアクチュエータは、図６に示すアクチュエータにおける固定子と可動子との機能を入れ替えたものに相当する。具体的には、本実施の形態に従うアクチュエータは、可動子３００と、固定子４０２とを含む。【０１６９】
可動子３００は、その両サイドに配置された回転体３０２と、回転体３０２の回転軸から偏心して連結された偏心体３０４とを含む。回転体３０２は、代表的にモータなどの電動機からなり、アクチュエータの駆動時において、図示しない電源装置から供給される電力によって回転運動を生じる。この可動子３００と一体化された回転体３０２の回転に伴って偏心体３０４も回転し、この偏心体３０４の回転に伴って径方向に偏心力が生じる。そして、この径方向への偏心力によって、可動子３００の両端部が径方向に変形を生じる。【０１７０】
一方、固定子４０２は、中空構造の回転体３０２を貫通して回転自在に構成されており、その両端には、軸方向に沿った径方向の大きさ（半径）が不均一な受圧部４０４が形成されている。そして、アクチュエータの可動時に可動子３００が発生する少なくとも径方向の変位を受けて、受圧部４０４は、可動子３００および固定子４０２を軸方向に沿って所定の向き（可動子３００同士が近接する向き）に相対移動させるための作用力を及ぼす。【０１７１】
その他の構成は、図６に示したアクチュエータとほぼ同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。【０１７２】
なお、本実施の形態では、説明の便宜上、図６に示すアクチュエータにおける固定子と可動子との機能を入れ替えた構成について例示したが、その他の実施の形態についても、同様に固定子と可動子との位置関係を入れ替えることができる。【０１７３】
この実施の形態によれば、固定子の構造を簡素化できるので、伸縮量が長いアクチュエータなどを容易に実現することができる。【０１７４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年4月9日(2010.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータアレイであって、
複数のアクチュエータ（１００，２００；１００，２５０；１００，２１０；１００，２２０；１００，２３２；１００，２４０；１１０，２００；１２０，２００；１３０，２１０；１４０，２９０；３００，４０２）を備え、
隣接する前記アクチュエータは、互いに接続されており、
前記複数のアクチュエータの各々は、固定子（２００，２１０，２２０，２３２，２４０，２５０，２９０，４０２）および可動子（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，３００）を含み、
前記固定子および前記可動子は、非駆動時において、所定の移動軸に沿って相対移動が可能であり、
前記固定子は、駆動時において、少なくとも径方向に変位を生じる変位部を有し、
前記可動子は、前記固定子の前記変位部による変位を受けて、前記移動軸の一方向に作用力を及ぼす受圧部（１０２，１１２，１２２，４０４）を有し、
駆動時に前記受圧部が発生する作用力は、非駆動時に前記固定子および前記可動子が相対移動するのに要する力に比較して大きい、アクチュエータアレイ。
【請求項２】
複数の前記アクチュエータは直列接続されている、請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項３】
複数の前記アクチュエータは並列接続されている、請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項４】
互いに直列接続された、複数の前記並列接続された複数の前記アクチュエータを含む、請求の範囲第３項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項５】
前記可動子同士が弾性的に接続されることで、複数の前記アクチュエータが並列接続されている、請求の範囲第３項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項６】
複数の前記アクチュエータは、共通の駆動信号に対して互いに異なる応答特性を有する複数のアクチュエータ群を含む、請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項７】
前記複数のアクチュエータ群は、前記共通の駆動信号に対して互いに異なるタイミングで動作する、請求の範囲第６項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項８】
各前記アクチュエータ群は、前記アクチュエータアレイの端から順に、動作タイミングの順番に配置されている、請求の範囲第７項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項９】
前記複数の前記アクチュエータは、前記共通の駆動信号に対して互いに異なる出力エネルギーを発生する、請求の範囲第６項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項１０】
複数の前記アクチュエータのうち、駆動する前記アクチュエータの個数を変更できる、請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項１１】
請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイを共通の駆動信号によって駆動する駆動方法であって、
複数の前記アクチュエータを複数のアクチュエータ群に分け、各前記アクチュエータ群の前記駆動信号に対する応答特性が、互いに異なるものになるように設定するステップと、
前記応答特性を設定された各前記アクチュエータに前記駆動信号を与えるステップとを含む、アクチュエータアレイの駆動方法。
【請求項１２】
請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイを共通の駆動信号によって駆動する駆動方法であって、
各前記アクチュエータには、コンデンサを含む電源供給系が、前記駆動信号が与えられたときに電圧を供給し、
複数の前記アクチュエータを複数のアクチュエータ群に分け、各前記アクチュエータ群に含まれる前記コンデンサの容量を、互いに異なるものになるように設定するステップと、
各前記アクチュエータに前記駆動信号を与えるステップとを含む、アクチュエータアレイの駆動方法。
【請求項１３】
請求の範囲第１項に記載のアクチュエータアレイを駆動信号によって駆動する駆動方法であって、
前記駆動信号によって駆動される前記アクチュエータの個数を設定するステップと、
各前記アクチュエータに前記駆動信号を与えるステップとを含む、アクチュエータアレイの駆動方法。
【国際調査報告】
2009084305.tif 000026
2009084305.tif 000027