(57)【要約】【課題】  ２方向動作など従来とは異なる動作を可能とする。【解決手段】  内部に供給された流体の流体圧によって表面の膜体（１１，１２）が伸びつつ膨張し、当該伸びによって生じた引っ張り応力によって曲がり運動を行うバルーンアクチュエータ（５ａ，５ｂ，５ｃ）であって、前記膜体（１１，１２）は、流体圧によって伸びが生じる第１膜体（１１）と、流体圧によって伸びが生じるとともに、伸びによって生じる引っ張り応力が前記第１膜体（１１）とは異なるよう構成され、前記第１膜体（１１）との間に前記流体が供給されるよう前記第１膜体（１１）に接合された第２膜体（１２）と、を有して構成されている。【選択図】      図１
2006204612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に供給された流体の流体圧によって表面の膜体が伸びつつ膨張し、当該伸びによって生じた引っ張り応力によって曲がり運動を行うバルーンアクチュエータであって、
前記膜体は、
流体圧によって伸びが生じる第１膜体と、
流体圧によって伸びが生じるとともに、伸びによって生じる引っ張り応力が前記第１膜体とは異なるよう構成され、前記第１膜体との間に前記流体が供給されるよう前記第１膜体に接合された第２膜体と、
を有して構成されていることを特徴とするバルーンアクチュエータ。
【請求項２】
前記第２膜体は、第１膜体よりも伸びが少なく第１膜体よりも小さい膨張が生じるよう構成されているとともに、前記第１膜体に生じる引っ張り応力よりも大きな引っ張り応力を発生させて、第２膜体の膨張方向への曲がり運動を生じさせることを特徴とする請求項１記載のバルーンアクチュエータ。
【請求項３】
流体圧が第１の圧力範囲にあるときには、第１膜体の引っ張り応力によって第１膜体の膨張方向への曲がり運動が生じ、
流体圧が第１の圧力範囲よりも高い第２の圧力範囲にあるときには、第１膜体の引っ張り応力よりも大きい第２膜体の引っ張り応力によって第２膜体の膨張方向への曲がり運動が生じることを特徴とする請求項１又は２記載のバルーンアクチュエータ。
【請求項４】
前記第２膜体は、第１膜体の引っ張り応力によっては曲がり運動が起こらないように剛性が高く形成され、
さらに、第２膜体には、第１膜体の引っ張り応力よりも大きい引っ張り応力が発生して、第２膜体の膨張方向への曲がり運動が発生可能である
ことを特徴とする請求項１又は２記載のバルーンアクチュエータ。
【請求項５】
前記第２膜体は、その膜厚を前記第１膜体の膜厚と異ならせることで、引っ張り応力が前記第１膜体と異なるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバルーンアクチュエータ。
【請求項６】
前記第２膜体は、その硬度を前記第１膜体の硬度と異ならせることで、引っ張り応力が第１膜体と異なるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のバルーンアクチュエータ。
【請求項７】
曲がり運動が生じる関節部を有するエンドエフェクタであって、
前記関節部は、内部に供給された流体の流体圧によって表面の膜体が伸びつつ膨張し、当該伸びによって生じた引っ張り応力によって曲がり運動を行うバルーンアクチュエータによって構成され、
前記膜体は、
流体圧によって伸びが生じる第１膜体と、
流体圧によって伸びが生じるとともに、伸びによって生じる引っ張り応力が前記第１膜体とは異なるよう構成され、前記第１膜体との間に前記流体が供給されるよう前記第１膜体に接合された第２膜体と、
を有して構成されていることを特徴とするエンドエフェクタ。
【請求項８】
曲がり運動が生じる関節部を有するエンドエフェクタを備えた医療用器具であって、
前記関節部は、内部に供給された流体の流体圧によって表面の膜体が伸びつつ膨張し、当該伸びによって生じた引っ張り応力によって曲がり運動を行うバルーンアクチュエータによって構成され、
前記膜体は、
流体圧によって伸びが生じる第１膜体と、
流体圧によって伸びが生じるとともに、伸びによって生じる引っ張り応力が前記第１膜体とは異なるよう構成され、前記第１膜体との間に前記流体が供給されるよう前記第１膜体に接合された第２膜体と、
を有して構成されていることを特徴とする医療用器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルーンアクチュエータ、エンドエフェクタ、及び医療用器具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バルーンアクチュエータは、特許文献１及び非特許文献１に記載のものがある。
特許文献１は、神経束を選択的に刺激する方法に用いられるカフ型インタフェース装置を開示しており、このカフ型インタフェース装置は、ポリイミドフィルムにシリコーンゴムフィルムが貼り合わされてバルーンとなるカフ型アクチュエータを備えている。
非特許文献１は、特許文献１のバルーンと同様なバルーンアクチュエータ１００を詳細に開示している。図１２（ａ）は、非特許文献１に記載のバルーンアクチュエータ１００を示している。このバルーンアクチュエータ１００は、上下２枚のフレキシブルフィルム１０１，１０２を接着して構成されている。上側のフレキシブルフィルム１０１は、膨張膜となるシリコーンゴムフィルムによって構成され、下側のフレキシブルフィルム１０２は基板となる生じないポリイミドフィルムによって構成されている。
２枚のフィルム１０１，１０２は、それらの周縁部が接着剤１０３によって接着されており、これらのフィルム１０２，１０３間には、空気が供給される内部空間１０４が形成されている。
ポリイミドフィルム１０２の背面には、シリコーン製のリブ部１０５が設けられており、ポリイミドフィルム１０２の不必要な変形などを防いでいる。
【０００３】
図１２（ａ）のバルーンアクチュエータの内部空間１０４に圧縮空気が供給されると、図１２（ｂ）に示すように空気の圧力によってシリコーンゴムフィルムからなる膨張膜１０１が伸びてその表面積を大きくしながら膨らむ。シリコーンゴムフィルム１０１が伸びると図示のような引っ張り応力Ｆが生じ、この引っ張り応力Ｆによってバルーンアクチュエータが曲がり運動を行い、バルーンアクチュエータ先端（図の左端）がΔＺほど上方に移動する。
【特許文献１】特開２００２−１０２３６０
【非特許文献１】小西聡（Satoshi Konishi）、外２名、「空気バルーンアクチュエータを用いた薄く柔軟なエンドエフェクタ」（Thin flexible end-effector using pneumatic balloon actuator）、センサーとアクチュエータ（Sensors and Actuators）Ａ  ８９、エルゼビア（elsevier）、２００１年、P.28-35
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、前述の従来のバルーンアクチュエータとは異なる構造によって曲がり運動を生じさせる新たな技術的手段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】
【０００５】
バルーンアクチュエータに係る本発明は、内部に供給された流体の流体圧によって表面の膜体が伸びつつ膨張し、当該伸びによって生じた引っ張り応力によって曲がり運動を行うものであって、前記膜体は、流体圧によって伸びが生じる第１膜体と、流体圧によって伸びが生じるとともに、伸びによって生じる引っ張り応力が前記第１膜体とは異なるよう構成され、前記第１膜体との間に前記流体が供給されるよう前記第１膜体に接合された第２膜体と、を有して構成されている。
【０００６】
図１２に示す従来のバルーンアクチュエータでは、２つのフィルムのうち、空気の供給によって表面積が大きくなる伸びが生じるのは上側のシリコーンゴムフィルムだけで、下側のポリイミドフィルムには伸びが生じない。曲がり運動を生じさせる力は、一枚のシリコーンゴムフィルムにおいて発生する引っ張り応力だけであり、シリコーンゴムフィルムの膨張方向に曲がり運動を生じさせることができるにすぎない。
【０００７】
これに対し、本発明に係るバルーンアクチュエータでは、伸びによって生じる引っ張り応力が異なる膜体の組み合わせによって構成されているため、第１膜体と第２膜体の双方で引っ張り応力を発生させることができる。したがって、曲がり運動を生じさせる力は、第１膜体の引っ張り応力と第２膜体の引っ張り応力の差となり、従来とは異なる運動を行わせることができる。
【０００８】
例えば、前記第２膜体は、第１膜体よりも伸びが少なく第１膜体よりも小さい膨張が生じるよう構成されているとともに、前記第１膜体に生じる引っ張り応力よりも大きな引っ張り応力を発生させて、第２膜体の膨張方向への曲がり運動を生じさせることができる。
図１２の従来のバルーンアクチュエータでは、シリコーンゴムフィルムは上方に大きく膨張しており、このシリコーンゴムフィルムの膨張方向（上方）に曲がり運動が生じている。つまり、バルーンが大きく膨張する方向と曲がり運動方向とが一致している。このような一致は、バルーンアクチュエータをエンドエフェクタなどに応用した場合、機能上の不利な制約となることがある。
これに対して、第２膜体を、第１膜体よりも伸びが少なく第１膜体よりも小さい膨張が生じるよう構成することで大きく膨張するのは第１膜体側となる一方、前記第１膜体に生じる引っ張り応力よりも大きな引っ張り応力を発生させて、第２膜体の膨張方向への曲がり運動を生じさせることで、バルーンが大きく膨張する方向と曲がり方向を異ならせることができる。
【０００９】
また、流体圧が第１の圧力範囲にあるときには、第１膜体の引っ張り応力によって第１膜体の膨張方向への曲がり運動が生じ、流体圧が第１の圧力範囲よりも高い第２の圧力範囲にあるときには、第１膜体の引っ張り応力よりも大きい第２膜体の引っ張り応力によって第２膜体の膨張方向への曲がり運動が生じるようにすることもできる。
このように構成すると、曲がり運動の方向を少なくとも２方向とすることができる。つまり、流体圧を第１の圧力範囲とすることで、第１膜体の膨張方向への曲がり運動を生じさせることができ、流体圧を第２の圧力範囲とすることで、第２膜体の膨張方向への曲がり運動を生じさせることができる。
【００１０】
さらに、前記第２膜体は、第１膜体の引っ張り応力によっては曲がり運動が起こらないように剛性が高く形成され、さらに、第２膜体には、第１膜体の引っ張り応力よりも大きい引っ張り応力が発生して、第２膜体の膨張方向への曲がり運動が発生可能であるようにしてもよい。
このように構成することで、第１膜体が伸びて引っ張り応力が生じても、第１膜体の膨張方向には曲がり運動が発生せず、第２膜体の膨張方向へ曲がり運動が発生するようにすることができる。
【００１１】
なお、第１膜体と第２膜体とに生じる引っ張り応力を異ならせるには、各膜体の膜厚を異ならせてもよいし、各膜体の硬度を異ならせてもよい。
【００１２】
上記バルーンアクチュエータは、曲がり運動が生じる関節部を有するエンドエフェクタに適用することができる。具体的には、関節部にバルーンアクチュエータを用いて、関節部の曲げを行うことができる。
また、上記エンドエフェクタは、曲がり運動が生じる関節部を有するエンドエフェクタを備えた医療用器具（エンドエフェクタ付き内視鏡など）に応用することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、バルーンアクチュエータが、伸びによって生じる引っ張り応力が異なる膜体の組み合わせによって構成されているため、第１膜体と第２膜体の双方で引っ張り応力を発生させることができる。したがって、曲がり運動を生じさせる力は、第１膜体の引っ張り応力と第２膜体の引っ張り応力の差となり、従来とは異なる運動を行わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態１〜３を図面に基づいて説明する。
バルーンアクチュエータを用いたエンドエフェクタの例として、第１実施形態ではフィンガーアクチュエータ１を説明し、第２実施形態ではフィンガーアクチュエータの医療器具への応用を説明する。さらに、第３実施形態では、エンドエフェクタの他の例として搬送装置を説明する。
【００１５】
［第１実施形態］
［フィンガーアクチュエータの全体構造］
図１〜図４は、バルーンアクチュエータを用いたフィンガーアクチュエータ１を示している。このフィンガーアクチュエータ１は、人間の手に類似した構造を有し、人間の手の動作に類似した動作を行うことができる。すなわち、フィンガーアクチュエータ１は、人の手の親指、人差し指、中指、薬指、小指に相当する５本（複数）のフィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅを備えている。各フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは関節部３において屈曲することができ、人の手のように物体の把持などを行うことができる。なお、フィンガーアクチュエータ１は、一本のフィンガー部によって構成されていてもよい。
【００１６】
親指に相当する第１フィンガー部２ａは、２つの関節部３を有し、他の指に相当する第２〜第５フィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは、それぞれ、３つの関節部３を有している。これらの関節部３は、空気圧によって曲がり運動を行うバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃによって構成されている。
このフィンガーアクチュエータ１は、１本のフィンガー部２の幅が１ｍｍ程度、長さが３〜３ｍｍ程度のいわゆるマイクロフィンガーであって、微小な対象物を取り扱うのに適している。このフィンガーアクチュエータ１は、ロボットアーム機構の先端などに取り付けられて使用される。
【００１７】
フィンガーアクチュエータ１は、各フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが取り付けられた治具（取付部）４を有している。この治具４は、空気注入用のチューブを取り付けるための８つ（複数）の空気注入部６を有している。これらの空気注入部６から空気各バルーンアクチュエータ５へのチャネル部（空気供給路）７が、治具４から各フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅにわたって形成されており、各バルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃへ空気を供給することができる。
【００１８】
親指に相当し、２つの関節部３（バルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ）を有する第１フィンガー部２ａには、２つのチャネル部７が割り当てられており、２つの関節部３（バルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ）を個別に駆動させることができる。
人差し指に相当する第２フィンガー部２ｂ及び中指に相当する第３フィンガー部２ｃは、３つの関節部３を有しているが、それぞれ、２つのチャネル部７が割り当てられている。一つ目のチャネル部７は最も治具４寄りの第１バルーンアクチュエータ５ａに割り当てられ、二つ目のチャネル部７は、フィンガー先端側の第２バルーンアクチュエータ５ｂ及び第３バルーンアクチュエータ５ｃに割り当てられている。したがって、これらのフィンガー部２ｂ，２ｃの第１バルーンアクチュエータ５ａと、第２及び第３バルーンアクチュエータ５ｂ，５ｃとは個別駆動が可能であるが、第２及び第３バルーンアクチュエータ５５ｂ，５ｃは、同時に動作する。
薬指に相当する第４フィンガー部２ｄ及び小指に相当する第５フィンガー部２ｅは、３つの関節部３を有しているが、それぞれ１つのチャネル部７が割り当てられている。したがって、これらのフィンガー部２ｄ，２ｅの第１〜第３バルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃは、同時に動作する。
【００１９】
［フィンガー部の構造及び動作］
図２は、第４又は第５フィンガー部２ｄ，２ｅの断面図を示している。なお、第１〜第３フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃについても、バルーンアクチュエータの数やチャネル数が異なるだけで、基本的構造は、第４又は第５フィンガー部２ｄ，２ｅと同様である。そこで、以下では、図２に示すフィンガー部２ｄ，２ｅを、単に、フィンガー部２とよぶ。
フィンガー部２は、２つのシリコーンラバー層１１，１２から構成されており、全体が１ｍｍ以下の薄く柔軟な構造となっている。具体的には、フィンガー部２は、シリコーンラバーフィルムからなる第１膜体１１と、同じくシリコーンラバーフィルムからなる第２膜体１１とを積層して構成されている。
第１膜体１１と第２膜体１２との間には、部分的に、空気が供給されて膨張する空間１３と、当該空間１３へ空気を供給するためのチャネル部（空気供給路）７と、が形成されている。フィンガー部２のうち、空間１３が形成された部分はバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃとして機能する。空間１３及びチャネル部７は、空間１３及びチャネル部７に相当する部分の第１膜体１１を凹状形成することによって形成されている。なお、第２膜体１２はフラットに形成されている。
なお、空間１３は、幅方向寸法よりも長手方向寸法が大きい形状（矩形状）に形成されている。ただし、空間１３の形状は特に限定されるものではない。
また、フィンガー部２において、関節部３となるバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃの間の範囲１４ａ，１４ｂ、第１バルーンアクチュエータ５ａよりも治具（取付部）４側の範囲１５ａ、及び第３バルーンアクチュエータ５ａよりも先端側１５ｂの範囲は、曲がり運動が実質的に生じない基部１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂとされている。
【００２０】
第１膜体１１及び第２膜体１２は、シリコーンラバーの一種であるＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）薄膜によって構成されている。第１実施形態のフィンガー部２は、ＰＤＭＳだけで形成されているため、全体が柔軟であり、（把持）対象物の損傷を防止することができる。
バルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，４ｃを構成する第１膜体１１と第２膜体１２は、それぞれ厚さが異なっている。具体的には、第１膜体１１において、バルーンアクチュエータ５に相当する部分（凹状形成された部分）の厚さＴｔよりも、第２膜体１２の厚さＴｂが大きくなっている。
また、第１膜体１１と第２膜体とは、ともにＰＤＭＳによって形成されているが、それぞれ硬度が異なっている。具体的には、第１膜体１１は、第２膜体１２よりも硬度が低く形成されている。
なお、膜体１１，１２の厚さや硬度を異ならせる方法については後述する。
【００２１】
第１膜体１１と第２膜体１２は、ともに伸縮自在なシリコーンラバーによって形成されているため、両膜体１１，１２のうちバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃを構成する部分は、空間１３内に供給された空気の圧力Ｐによって、風船のように、その表面積を拡げつつ伸びて膨張することができる。そして、これらのバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃは、全体が柔軟な材料であるＰＤＭＳ（シリコーンラバー）によって形成されているため、従来のバルーンアクチュエータに比べて低い圧力で膨張することができる。例えば、従来のバルーンアクチュエータでは膨張するために数百ｋＰａ必要であったが、本実施形態のバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃでは、１００ｋＰａ以下で膨張することができる。
【００２２】
実施形態に係るバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃでは、第１膜体１１が、第２膜体１２よりも薄く柔らかいため、同じ圧力下でも、第１膜体１１は第２膜体１２よりも大きく膨張することができる。換言すると、第２膜体１２は、第１膜体１１よりも厚く硬度が高いため、同じ圧力下では第１膜体１１よりも小さく膨張することしかできない。
【００２３】
図３及び図４は、図２のバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃの膨張の様子を示している。
図３は、空気圧Ｐが、ある圧力Ｐｓａｔ未満である場合における膨張の様子を示しており、この場合、バルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃを構成する第１膜体１１及び第２膜体１２は、空気圧Ｐによって共に膨張するものの、薄く柔らかい第１膜体１１の方が、より大きく膨張する。
膜体１１，１２が膨張すると、それぞれの膜体１１において、図示のような引っ張り応力Ｆｔ、Ｆｂが発生する。
ここで、図３では、第２バルーンアクチュエータ５ｂについて注目すると、引っ張り応力Ｆｔ、Ｆｂは、当該バルーンアクチュエータ５ｂの両側にある基部１４ａ，１４ｂを近づける方向の力となる。図３の状態では、第１膜体１１に発生する引っ張り応力の方が第２膜体１２に発生する引っ張り応力よりも大きくなっている（Ｆｔ＞Ｆｂ）。このため、バルーンアクチュエータ５ｂは、より大きな引っ張り応力Ｆｔによって、基部１４ｂが基部１４ａに対して上方に移動する曲がり運動を行う。すなわち、図３の状態では、第１膜体１１の膨張方向と同じ方向への曲がり運動が生じる。
【００２４】
図３において、第１膜体１１の引っ張り応力Ｆｔが第２膜体１２の引っ張り応力Ｆｂよりも大きくなるのは次の理由のためである。つまり、厚く硬度の高い第２膜体１２では、空気圧Ｐが比較的低い場合には、大きな引っ張り応力を生じさせるほどの伸びがほとんど生じないため、第２膜体１２で発生する引っ張り応力Ｆｂも小さくなる。これに対して、薄く柔らかい第１膜体１２では、比較的低い空気圧Ｐであっても十分な伸びが生じて大きく膨張するため、第１膜体１１で発生する応力Ｆｔも大きくなる。
そして、第２バルーンアクチュエータ５ｂと同様の曲がり運動が、他のバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂについても生じ、フィンガー部２全体が、上方への曲がり運動を行う。
【００２５】
図４は、空気圧Ｐがある圧力Ｐｓａｔよりも大きくなった場合における膨張の様子を示しており、この場合、フィンガー部２は図３とは逆方向（下方）への曲がり運動を行う。
空気圧Ｐが大きくなると、バルーンアクチュエータを構成する第１膜体１１及び第２膜体１２はさらに伸びて膨張する。
図３での第２膜体１２の膨張（伸び）は僅かであったが、圧力が十分に高くなることで、厚く硬度の高い第２膜体１２においても大きな引っ張り応力Ｆｂが生じるほどの十分な膨張（伸び）が生じる。
しかも、第２膜体１２は、第１膜体１１よりも厚く硬度が高いため、一旦十分な伸びが生じた場合の第２膜体１２における引っ張り応力Ｆｂは、第１膜体１１において生じる引っ張り応力Ｆｔよりも大きくなる。
つまり、図４では、Ｆｔ＜Ｆｂであり、バルーンアクチュエータ５ｂは、より大きな引っ張り応力ＦｂによってＦｔに打ち勝ち、基部１４ｂが基部１４ａに対して下方に移動する曲がり運動を行う。すなわち、図４の状態では、第２膜体１２の膨張方向と同じ方向への曲がり運動が生じる。
そして、第２バルーンアクチュエータ５ｂと同様の曲がり運動が、他のバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂについても生じ、フィンガー部２全体が、下方への曲がり運動を行う。
なお、第２膜体１２の引っ張り応力による曲がり運動の最大移動量は、第１膜体１２の引っ張り応力による曲がり運動の最大移動量よりも大きくなっている。
また、上記のフィンガーアクチュエータ１では、第２膜体１２側が人間の手のひら側に相当し、図４の曲がり運動が人間の手による把持動作に類似したものとなる。
【００２６】
以上のように、第１実施形態に係るバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃによれば、２つの方向への曲がり運動が可能である。すなわち、従来のバルーンアクチュエータでは、１方向動作だけであったのに対して、第１実施形態に係るバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃでは２方向動作が可能である。
また、第１実施形態に係るバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃによれば、空気圧Ｐによって曲がり運動方向を変えることができる。従来のバルーンアクチュエータでは、空気圧を変化させると、運動量（移動量）を変えることはできたが、運動方向まで変えることはできない。これに対して、第１実施形態に係るバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃでは、空気圧Ｐの変化によって運動量（移動量）を変えるとともに、空気圧Ｐをある圧力Ｐｓａｔよりも小さくしたり大きくしたりすることで、曲がり運動の方向を変えることもできる。
【００２７】
したがって、バルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃに供給される空気圧（流体圧）を検出する圧力センサ（図示せず）と、圧力センサで検出した圧力値に基づきバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃに供給される圧力を制御する制御装置（図示せず）と、を備えることで、曲がり運動量、曲がり運動方向を自在に制御することができる。
なお、圧力センサは、バルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃの空間１３内や、チャネル部７内に設けることができる。また、制御装置は、マイクロコンピュータ・メモリなどを有するコンピュータと、コンピュータからの信号に基づき圧力を調節する電空レギュレータによって構成することができる。
さらに、圧力センサに代えて、歪みセンサ（図示せず）を設けて、各膜体１１，１２に発生する引っ張り応力を検出してもよい。歪みセンサを設ける場合、第１膜体１１と第２膜体１２のバルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃに相当する部分に、それぞれ歪みセンサを配置し、各膜体１１，１２に発生する引っ張り応力を個別に検出して、こられの検出値に基づいて、制御装置がバルーンアクチュエータ５に供給する圧力を制御すればよい。
【００２８】
また、バルーンアクチュエータ５に供給される空気圧は、チャネル部７ごとに個別制御することができ、これにより、フィンガーアクチュエータ１は、人間の手に類似した複雑な動作を行うことができるとともに、２方向運動が可能であることから、人間の手よりも一層複雑な動作を行うこともできる。
【００２９】
上記フィンガーアクチュエータ１では、前述のように、第２膜体１２側で物体（対象物）を把持することができる。そして、第２膜体１２は、曲がり運動が生じているときでも、膨張量が少ないため、対象物を把持する把持面（作用面）として好適である。なお、従来のバルーンアクチュエータでは、大きく膨張する方向に曲がりが生じるため、この膨張面を把持面とするのが困難である。
【００３０】
また、上記フィンガーアクチュエータ１では、図１２の従来構造に比べて、効率が向上している。すなわち、加圧圧力（空気圧）とそれによって生じる力の関係を測定すると、上記フィンガーアクチュエータ１では、高い効率が得られた。これは、ＰＤＭＳが非常に柔軟な材料であることに加え、２枚のＰＤＭＳ膜の組み合わせにおいて、薄い膜と厚い膜を用いているため、加圧圧力が力（変位ではなく）として有効に使われているためと考えられる。
【００３１】
また、フィンガー部２において、バルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃによって構成される関節部３以外の範囲（基部１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ）には、不必要な屈曲を防止するための補強部（図示せず）を設けても良い。補強部は、フィンガー部２の基部表面に取り付けても良いし、第１膜体１１及び／又は第２膜体１２の内部に設けても良い。
【００３２】
なお、上記フィンガーアクチュエータ１は、様々な用途のために用いることができ、その具体的形状も用途に応じて適宜変更することができる。
例えば、フィンガーアクチュエータ１を（３次元）目標位置に導くガイドロボット（人の腕に相当する機能を持つ）に取り付け、フィンガーアクチュエータ１とガイドロボットを制御装置（コンピュータ）によって動作制御するように構成しておくことで、人の手と腕に類似した動作を行うことができる。
また、フィンガーアクチュエータ１等の操作をオペレータが行う場合、オペレータの手に装着できるデータグローブによって、オペレータの手の位置、手の姿勢、指の曲げ角度情報を計測し、計測データに基づき、オペレータの手や腕の動きをフィンガーアクチュエータ１またはガイドロボットに再現させるバーチャルハンドシステムを構成することもできる。
この場合、人の手（指）に力覚を与える力覚付与機構をデータグローブに設けておくとともに、フィンガーアクチュエータ１の動き（対象物との接触状況）をセンサ（前記歪センサなど）で検出し、前記力覚付与機構によってオペレータにバーチャルな力覚を与えるように構成してもよい。このようなフィンガーアクチュエータ１（及びガイドロボットとの組み合わせ）は、手術用ロボットとして使用することができる。
以下では、第２実施形態としてフィンガーアクチュエータ１を医療用器具への応用について言及する。
【００３３】
［第２実施形態］
［医療用器具］
図５及び図６は、内視鏡手術用鉗子等として用いられる医療用器具（外科用器具）２０を示している。この医療用器具２０は、器具本体２１の先端にバルーンアクチュエータ５を複数備えた一対のフィンガー部２（図２に示すフィンガー部２と同様のもの）を備えて構成されており、内視鏡の先端に取り付けられて内視鏡下手術用に用いたり、内視鏡とは別体に構成された内視鏡手術下用の鉗子装置として用いられる。
対をなすフィンガー部２は第２膜体１２側が互いに対向するように設けられており、各フィンガー部２は、図４と同様の動作によって、フィンガー部２の先端Ｅが閉じるように動作し、対象物を掴むことができる。
また、フィンガー部２が、図５の状態から、図３に示す方向の運動を行うと、対のフィンガー部２の先端Ｅが離れるように動作するため、比較的大きな対象物を掴むためにフィンガー部２間を広げることが可能である。
【００３４】
さらに、フィンガー部２としては、第１〜第３フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃのように、複数の入力チャネル部７を有する構造を採用してもよい。この場合、一層複雑な動作が可能である。
例えば、図５に示すものでは、バルーンアクチュエータ５の収縮時において、フィンガー部２の先端Ｅが離れているが、第１〜第３フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃの構造を採用すると、バルーンアクチュエータ５ａ，５ｂ，５ｃの収縮時には、フィンガー部２の先端Ｅ同士を近接させておくこともできる。この場合、対象物を掴む際には、まず、一つ目のチャネル部７によって第１バルーンアクチュエータ５ａを作動させて対のフィンガー部２先端Ｅが離れるように作動させてその状態を保持し、続いて二つ目のチャネル部７によって先端側の第２バルーンアクチュエータ５ｂ（及び／又は第３バルーンアクチュエータ５ｃ）を作動させてフィンガー部２の先端Ｅが近づくように作動させればよい。
【００３５】
フィンガー部２を構成するＰＤＭＳは、生体適合性を持つため、体内での手術行為に用いるのに適している。特に、実施形態のフィンガー部２はＰＤＭＳだけで構成されており、生体適合性が非常に優れている。また、このフィンガー部２は、柔軟性に優れているため、対象物を傷つけにくく、この観点からも医療用に適している。
【００３６】
医療用器具２０の場合も、フィンガー部２は複数本ではなく、１本であってもよい。例えば、フィンガー部２の先端Ｅに針などの機能部材を取り付けておき、この機能部材を適切な位置へ移動させるためにフィンガー部２を用いても良い。また、機能部材は、あまり膨張しない第２膜体１２側に設けるのが好ましい。第２膜体１２側であれば、関節部３（バルーンアクチュエータ５）の近傍でも機能部材を設けることができ、コンパクト化を図ることができる。
【００３７】
[バルーンアクチュエータの製法]
図７は、実施形態１及び実施形態２において説明したバルーンアクチュエータ５の製造方法を示している。
バルーンアクチュエータ５を構成する第１膜体１１は、空間１３やチャネル部７となる微細な凹部を有しており、これらの微細な凹凸形状を形成するため、シリコンモールド３０を使用して成形される。
膜体１１を形成するモールド３０は、エッチマスク用のアルミニウム蒸着プロセスとＩＣＰ−ＲＩＥプロセスを用いて、所望形状に形成される。図７（ａ１）に示すように、このシリコンモールド３０に硬化用の触媒を混合したＰＤＭＳ（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｇ社製  ＳＹＬＧＡＲＤ  １８４）がスピンコートによって所望の膜厚に形成される。なお、このＰＤＭＳは、本剤と触媒との混合比を１０：１にして使用されるものであるが、第１膜体１１を柔らかく形成するため、ここでは、本剤と触媒の混合比を８：１として触媒の比率を増やしている。
【００３８】
バルーンアクチュエータ５を構成する第２膜体１２は、平坦であるため、図７（ａ２）に示すように、平坦なガラス板３１を用いて形成される。このガラス板２１に触媒を混合したＰＤＭＳがスピンコートによって所望に膜厚に形成される。第２膜体１２を硬く形成するため、ここでは、本剤と触媒の混合比を１２：１としている。
【００３９】
上記のように、膜体１１，１２の硬度は触媒の混合比を調節することで変えることができる。また、膜体１１，１２の厚さは、スピンコートのスピードを調節することで所望の厚さを得ることができる。
【００４０】
図７（ｂ１）（ｂ２）に示すように、第１膜体１１の接合面１１ａと、第２膜体１２の接合面１２ａは、酸素プラズマとメタノールによって接着のために改質される。そして、図７（ｃ）に示すように、両膜体１１，１２の接合面１１ａ，１２ａ同士が対向するように両膜体１１，１２を重ね合わせられ、熱処理が行われる。そして、図７（ｄ）のようにガラス板３１を取り除くことにより、バルーンアクチュエータ５が完成する。
【００４１】
なお、上記製法では、空間１３やチャネル部７を確保するため第１膜体１１に凹部を形成したが、これに代えて、次の手段を採用してもよい。すなわち、第１膜体１１及び第２膜体１１を共に平坦状に形成しておき、第１膜体１１及び／又は第２膜体１２の空間１３やチャネル部７となる範囲に、テフロン（登録商標）やパリレンなどの非接着性材料による膜を所定パターンで形成するようにしてもよい。これにより、非接着性膜の部分は、第１膜体１１と第２膜体１２が接着しないので、膜体１１，１２間に空気を供給することができる。
【００４２】
［フィンガーアクチュエータの２つの実施例］
以下では、膜厚などを異ならせた２つのフィンガーアクチュエータ１の対比を行う。
図８（ａ）及び図９（ａ）は、実施例１（以下、「ＴｙｐｅＡ」ともいう）に係るフィンガーアクチュエータを示している。
図８（ｂ）及び図９（ｂ）は、実施例２（以下、「ＴｙｐｅＢ」ともいう）に係るフィンガーアクチュエータを示している。
実施例１と実施例２の主要な相違点の一つは、第２膜体１２の膜厚にある。すなわち、実施例１よりも実施例２の方が第２膜体１２の膜厚が大きく形成されている。
【００４３】
図１０は、実施例１（ＴｙｐｅＡ）と実施例２（ＴｙｐｅＢ）について、供給される空気の圧力（Applied Pressure）と、フィンガーアクチュエータの曲がり角度（Bending angle；フィンガー先端における曲がり角度）の関係を測定したグラフを示している。
ＴｙｐｅＡは、図３及び図４に示したものと同様な２方向動作を行っている。すなわち、供給空気圧を０から徐々に上げていくと、フィンガー先端は、１８ｋＰａ付近の移動方向変化点までマイナスの方向へ移動し、マイナス側の角度が大きくなる。この移動は、図３におけるフィンガー部２の運動と同じものである。
さらに、空気圧が１８ｋＰａを超えると、移動方向がプラスの方向に変わり、３５ｋＰａを超えると曲がり角度がプラスとなる。このプラス側への曲がりは、図４におけるフィンガー部２の運動と同じものである。
このように、ＴｙｐｅＡでは、空気圧が比較的低い第１の圧力範囲にあるときには、第１膜体１１の引っ張り応力によって第１膜体１１の膨張方向への曲がり運動が生じ、空気圧が第１の圧力範囲よりも高い第２の圧力範囲にあるときには、第１膜体１１の引っ張り応力よりも大きい第２膜体１１の引っ張り応力によって第２膜体１１の膨張方向への曲がり運動が生じるように構成されている。
【００４４】
一方、ＴｙｐｅＢは、一方向動作だけが生じている。すなわち、供給空気圧を０から徐々に上げていくと、フィンガー先端は、プラス側に増大するだけである。これは、ＴｙｐｅＢでは、図４におけるフィンガー部２の運動と同じ運動だけが生じていることを示す。
ＴｙｐｅＢでは、第２膜体１２の厚さをＴｙｐｅＢよりも大きくしたため剛性がより高くなっており、低い圧力領域で生じた第１膜体２の膨張による引っ張り応力では、第２膜体１２の剛性に打ち勝って、曲げ運動を生じさせるのに十分でなくなっているものと考えられる。
このように、ＴｙｐｅＢでは、第２膜体１２は、第１膜体１１の引っ張り応力によっては曲がり運動が起こらないように剛性が高く形成され、さらに、第２膜体１２には、第１膜体１１の引っ張り応力よりも大きい引っ張り応力が発生して、第２膜体１２の膨張方向への曲がり運動が発生可能であるように構成されている。
【００４５】
［第３実施形態]
［搬送装置］
図１１は、バルーンアクチュエータを用いた搬送装置４０を示している。この搬送装置４０は、繊毛運動システムの搬送メカニズムを利用したものであり、第１実施形態において説明したものと同様なバルーンアクチュエータ５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇを搬送物４１の搬送方向に複数並設し、これらのバルーンアクチュエータ５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇを図１１の（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように順次膨張・収縮させることで、搬送物４１を距離Ｌほど移動させることができる。
【００４６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、空間１３などを形成するために第１膜体１１に形成したのと同様な凹部を第２膜体に形成してもよい。
また、複数のバルーンアクチュエータを備えるフィンガーアクチュエータ（エンドエフェクタ）において、各バルーンアクチュエータの特性は互いに異なっていてもよい。例えば、２方向動作が可能なバルーンアクチュエータと１方向動作だけが可能なバルーンアクチュエータが混在していてもよい。
また、２方向動作が可能なバルーンアクチュエータ１であっても、方向によって、移動可能量（又は発生できる力の大きさ）が異なるので、方向性の異なるバルーンアクチュエータを組み合わせてもよい。
さらに、複数のバルーンアクチュエータを備えるフィンガーアクチュエータ（エンドエフェクタ）において、各バルーンアクチュエータの大きさが異なっていてもよく、バルーンアクチュエータ間の間隔を異ならせてもよい。
また、上記実施形態では、主に、マイクロ加工技術によって形成された型（モールド）を使用して製造されるマイクロフィンガーを中心に説明したが、その大きさは特に限定されるものではない。したがって、比較的大きなバルーンアクチュエータやフィンガーアクチュエータを製造する場合、一般的な金型を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】フィンガーアクチュエータの斜視図である。
【図２】フィンガー部の断面図である。
【図３】低圧時のフィンガー部の動作を示す断面図である。
【図４】高圧時のフィンガー部の動作を示す断面図である。
【図５】医療用器具の断面図である。
【図６】医療用器具の動作時の断面図である。
【図７】バルーンアクチュエータの製造工程図である。
【図８】（ａ）は実施例１の平面図、（ｂ）は実施例２の平面図である。
【図９】（ａ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ’線断面図であり、（ｂ）は、図８（ｂ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図１０】供給圧力と曲がり角度の関係を示すグラフである
【図１１】搬送装置の動作説明図である。
【図１２】従来のバルーンアクチュエータの説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  フィンガーアクチュエータ（エンドエフェクタ）
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ  フィンガー部
３  関節部
５ａ，５ｂ，５ｃ  バルーンアクチュエータ
１１  第１膜体
１２  第２膜体
２０  医療用器具
【図１】
2006204612.tif 000003
【図２】
2006204612.tif 000004
【図３】
2006204612.tif 000005
【図４】
2006204612.tif 000006
【図５】
2006204612.tif 000007
【図６】
2006204612.tif 000008
【図７】
2006204612.tif 000009
【図８】
2006204612.tif 000010
【図９】
2006204612.tif 000011
【図１０】
2006204612.tif 000012
【図１１】
2006204612.tif 000013
【図１２】
2006204612.tif 000014