(57)【要約】【課題】  人間の柔らかな筋肉と同様な性質を有し、しかも、特別な材料を使用する必要性がなく設計の自由度の高いアクチュエータを提供する。【解決手段】  固定子と移動子とを有し、固定子は移動子を移動可能に支持する支持体と、移動子を移動させる力を移動子との間で作用させる固定子作用面を有し、移動子は自身を移動方向に移動する力を固定子との間で作用させる移動子作用面と、移動子作用面を移動方向の成分を含む方向に往復運動させる往復運動手段を有し、固定子作用面と移動子作用面の接触面は最大摩擦力が外力の方向によって相違する異方性摩擦対の接触面となっており、移動子作用面が往復運動することにより固定子に対して移動子を最大摩擦力の小さい方向に移動するようにした。【選択図】  図１
2008118738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と移動子とを有するアクチュエータであって、
前記固定子は移動子を所定の移動方向に移動可能に支持する支持体と、前記移動子を前記移動方向に移動させる力を前記移動子との間で作用させる固定子作用面を有し、
前記移動子は自身を前記移動方向に移動する力を前記固定子との間で作用させる移動子作用面と、前記移動子作用面を前記移動方向の成分を含む方向に往復運動させる往復運動手段を有し、
前記固定子作用面と前記移動子作用面の接触面は相対的移動を起こすために必要な外力の限界である最大摩擦力が前記外力の方向によって相違する異方性摩擦対の接触面となっており、
前記移動子作用面が往復運動することにより前記固定子に対して前記移動子を前記最大摩擦力の小さい方向に移動することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記異方性摩擦対の一方は配向する繊維が敷きつめられた配向繊維面であり、他方は前記繊維の先端を受け止めることが可能な凹部を有する粗面であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２記載のアクチュエータにおいて、前記固定子は筒形状の内面を有し、その内面は固定子作用面であり、前記移動子は前記内面に接触する外面を有し、その外面の少なくとも一部は移動子作用面であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のアクチュエータにおいて、前記移動子作用面と前記往復運動手段は２組存在し、前記往復運動を独立して行うことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載のアクチュエータにおいて、前記固定子は筒形状の内面を有し、その内面は前記粗面となっている固定子作用面であり、その粗面は前記繊維の先端を受け止める性質が前記外力の方向によって相違しない等方性粗面であり、前記移動子は前記内面に接触する外面を有し、その外面の少なくとも一部は前記配向繊維面となっている移動子作用面であり、その移動子作用面と前記往復運動手段は２組存在し、その２組存在する移動子作用面すなわち前記配向繊維面における前記繊維の配向方向は、互いに反対方向となっており、一方の移動子作用面が前記往復運動を行うときには、他方の移動子作用面と前記固定子作用面とを非接触状態とする接触切替手段を有することを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクチュエータの技術分野に属する。特に、直進運動する出力を得ることができるアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
直進運動する出力を得るアクチュエータとしては、空気シリンダー、油圧シリンダーが良く知られている。これらのアクチュエータは加圧された空気、油をピストンとシリンダーによって密閉された室内に送り込んで、その圧力でピストンを直進運動させる構造を有する。ピストンとシリンダーはその直進運動が可能なように摺動面で接しているが、その摺動面の隙間から空気、油が漏れることがあってはならない。そのため、その隙間は僅少であって、ピストンとシリンダーは機械的に強固に結合した構造となっている。
その構造は多くの用途において問題となることはないのであるが、義手、義足等の人工骨格に運動を与える用途、または介護ロボットのような用途では、必ずしも最適なアクチュエータではない。そのような用途においては、人間の柔らかな筋肉と同様な性質を有する人工筋肉としてのアクチュエータが求められている。
【０００３】
そのようなアクチュエータとして、直線的な動作を確実に得ることができるアクチュエータの発明がある（特許文献１）。そのアクチュエータは、ポリアニン、ポリピロール等のπ共役型高分子材料でなる伸縮素子と、伸縮素子に電圧を印加するための電源部２及び電圧印加部と、電流を伸縮素子から外部に導通させるための電解質部と、を有し、電圧印加部に正の電位を印加すると伸縮素子が伸張し、電圧印加部に負の電位を印加すると伸縮素子が収縮するようになしたアクチュエータ本体に、伸縮素子の伸縮によって直線的に動作される移動部を設けた構造を有する。
また、伸縮量の大きな圧電式アクチュエータの発明がある（特許文献２）。そのアクチュエータは、全体的に湾曲しており、長尺シート状の圧電シートに基材を貼りあわせた積層体であるユニモルフ型圧電素子と、このユニモルフ型圧電素子の一端を支える支持部材とからなり、前記圧電シートに通電して基材及び圧電シートを撓ませることにより、ユニモルフ型圧電素子の他端で負荷を前記支持部材を基準にして変位させる構造を有する。
【特許文献１】特開２０００−１３３８５４
【特許文献２】特開２０００−２３６６８２
【０００４】
しかしながら、この従来のアクチュエータにおいては、電気的な入力を機械的な出力に変換する変換部として特別な材料が使用される。すなわち、特許文献１においてはπ共役型高分子材料が使用され、特許文献２においてはＰＶＤＦ（ポリふっ化ビンリデン）等の圧電シートが使用される。変換部にそれらの材料を使用するときに、その要求特性に合致する特性の材料を選択可能であれば問題はない。しかし現状においては、材料の選択範囲は狭く、変換部の特性は材料特性による制約を受け易く、実用的なアクチュエータを設計する上で問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の問題を解決するために成されたものである。その目的は、人間の柔らかな筋肉と同様な性質を有する人工筋肉としてのアクチュエータであって、しかも、特別な材料を使用する必要性がなく設計の自由度の高いアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に係るアクチュエータは、固定子と移動子とを有するアクチュエータであって、前記固定子は移動子を所定の移動方向に移動可能に支持する支持体と、前記移動子を前記移動方向に移動させる力を前記移動子との間で作用させる固定子作用面を有し、前記移動子は自身を前記移動方向に移動する力を前記固定子との間で作用させる移動子作用面と、前記移動子作用面を前記移動方向の成分を含む方向に往復運動させる往復運動手段を有し、前記固定子作用面と前記移動子作用面の接触面は相対的移動を起こすために必要な外力の限界である最大摩擦力が前記外力の方向によって相違する異方性摩擦対の接触面となっており、前記移動子作用面が往復運動することにより前記固定子に対して前記移動子を前記最大摩擦力の小さい方向に移動するようにしたものである。
また本発明の請求項２に係るアクチュエータは、請求項１に係るアクチュエータにおいて、前記異方性摩擦対の一方は配向する繊維が敷きつめられた配向繊維面であり、他方は前記繊維の先端を受け止めることが可能な凹部を有する粗面であることを特徴とするアクチュエータ。
また本発明の請求項３に係るアクチュエータは、請求項１または２に係るアクチュエータにおいて、前記固定子は筒形状の内面を有し、その内面は固定子作用面であり、前記移動子は前記内面に接触する外面を有し、その外面の少なくとも一部は移動子作用面であるようにしたものである。
また本発明の請求項４に係るアクチュエータは、請求項１〜３のいずれかに係るアクチュエータにおいて、前記移動子作用面と前記往復運動手段は２組存在し、前記往復運動を独立して行うようにしたものである。
また本発明の請求項５に係るアクチュエータは、請求項１〜３のいずれかに係るアクチュエータにおいて、前記固定子は筒形状の内面を有し、その内面は前記粗面となっている固定子作用面であり、その粗面は前記繊維の先端を受け止める性質が前記外力の方向によって相違しない等方性粗面であり、前記移動子は前記内面に接触する外面を有し、その外面の少なくとも一部は前記配向繊維面となっている移動子作用面であり、その移動子作用面と前記往復運動手段は２組存在し、その２組存在する移動子作用面すなわち前記配向繊維面における前記繊維の配向方向は、互いに反対方向となっており、一方の移動子作用面が前記往復運動を行うときには、他方の移動子作用面と前記固定子作用面とを非接触状態とする接触切替手段を有することを特徴とするアクチュエータ。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の請求項１に係るアクチュエータによれば、固定子作用面と移動子作用面の接触面は異方性摩擦対の接触面となっており、往復運動手段により移動子作用面を往復運動させることにより固定子に対して移動子が最大摩擦力の小さい方向に移動する。すなわち、異方性摩擦対と往復運動により直線運動の出力を得ることでき、その異方性摩擦対は、前述したピストンとシリンダーのように、機械的に強固な結合をさせる必要性がなく、その材料は柔軟性の材料でもよく選択範囲は広い。したがって、人間の柔らかな筋肉と同様な性質を有する人工筋肉としてのアクチュエータであって、しかも、特別な材料を使用する必要性がなく設計の自由度の高いアクチュエータが提供される。
また本発明の請求項２に係るアクチュエータによれば、異方性摩擦対の一方は配向する繊維が敷きつめられた配向繊維面であり、他方はその繊維の先端を受け止めることが可能な凹部を有する粗面である。したがって、柔らかな異方性摩擦対であり、アクチュエータにも柔らかな筋肉の性質が付与される。
また本発明の請求項３に係るアクチュエータによれば、固定子は筒形状の内面を有し、その内面は固定子作用面であり、移動子はその内面に接触する外面を有し、その外面の少なくとも一部は移動子作用面である。したがって、筒形状の固定子の内側を固定子が筒形状の筒軸方向に運動するアクチュエータが提供される。
また本発明の請求項４に係るアクチュエータによれば、移動子作用面と往復運動手段は２組存在し、往復運動を独立して行う。すなわち、一方の組が滑っているときに他方の組が保持するように作用する。したがって、直線運動の効率を高め、力の大きな出力を得ることができる。
また本発明の請求項５に係るアクチュエータによれば、固定子は筒形状の内面を有し、その内面は粗面となっている固定子作用面であり、その粗面は繊維の先端を受け止める性質が外力の方向によって相違しない等方性粗面であり、移動子は内面に接触する外面を有し、その外面の少なくとも一部は配向繊維面となっている移動子作用面であり、その移動子作用面と往復運動手段は２組存在し、その２組存在する移動子作用面すなわち配向繊維面における繊維の配向方向は、互いに反対方向となっており、接触切替手段により一方の移動子作用面が往復運動を行うときには、他方の移動子作用面が固定子作用面に接触しない非接触状態となる。すなわち、一方の移動子作用面が往復運動を行うときに筒形状の固定子の内側を固定子が筒形状の筒軸方向に運動する方向と、他方の移動子作用面が往復運動を行うときの運動する筒軸方向に方向とは筒軸方向において反対方向となる。したがって、どちらの組を往復運動させるかによって運動する方向を切替えることができるアクチュエータが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。本発明のアクチュエータにおける構成について説明図を図１に示す。また、本発明のアクチュエータにおける移動子の構成について説明図を図２に示す。図１、図２において、１は固定子、２は移動子、３は出力軸、４ａ，４ｂはリード線、５ａ，５ｂは給電端子、１１は筒状胴体、１２ａ，１２ｂは蓋体、１３は作用面（配向繊維面）、２１は柱状胴体、２２ａ，２２ｂは蓋体、２３ａ，２３ｂは駆動部、２４ａ，２４ｂは作用体、２５ａ，２５ｂは作用面（粗面）である。
固定子１は、アクチュエータを使用する装置のフレーム等に固定されるアクチュエータの部分である。固定子１は、図１に示す一例においては、筒状胴体１１、蓋体１２ａ，１２ｂを有する。
筒状胴体１１の内側には、移動子２を収容するとともに、所定の移動方向に移動するときに必要とする空間が形成されている。言い換えると、筒状胴体１１は移動子２をその空間によって規制して所定の移動方向に案内する作用を有する。すなわち、所定の移動方向に垂直な断面形状については、筒状胴体１１の内側の断面形状は移動子２の外側の断面形状に対して、形状としては概ね一致する。勿論、移動可能とするために、寸法としては筒状胴体１１の内側の断面形状の方が少し大きい。図１に示す一例においては、所定の移動方向は直線に沿った方向であるが、本発明においては、所定の移動方向は曲線であってもよく直線に限定されない。また、図１に示す一例においては、断面形状は円（円筒の断面）であるが、本発明は、その断面形状が多角形等であってもよく円に限定されない。
筒状胴体１１は、その内側の面（内面）が移動子２を移動させる力を作用させる固定子１の作用面１３となっている。図１に示す一例においては、作用面１３の表面は配向する繊維が敷きつめられた配向繊維面となっている。配向繊維面の形成には、たとえば、織物、編物、不織布、紙、プラスチックフィルム、等を基材とし、その基材の一方の面において先端を有する繊維が突出し、突出方向が所定の方向に配向している配向繊維シートを使用することができる。筒状胴体１１の内面にその配向繊維シートを他方の面において貼り付けることにより配向繊維面を形成する。
【０００９】
蓋体１２ａ，１２ｂは、固定子１において移動子２を収容し、移動子２の移動範囲を規定するためのものであり、筒状胴体１１の両側端に設けられる。蓋体１２ａ，１２ｂの少なくとも一方には、アクチュエータ出力を取り出すための出力軸３を貫通させる孔が開けられている。また、蓋体１２ａ，１２ｂには、固定子１の外側と内側の間で空気の流通を容易にするための孔を設けることができる。固定子１と移動子２は各々の作用面において接触しているが、容易に空気が移動できるような隙間を確保することが可能である。しかし、空気の移動によるダンピングの影響、等をなくすためには、孔を設けることが効果的である。
【００１０】
移動子２は、固定子１に対して相対的な移動を行うことによりアクチュエータ出力を生じるアクチュエータの部分である。移動子２は、図１に示す一例においては、柱状胴体２１、蓋体２２ａ，２２ｂ、駆動部２３ａ，２３ｂ、作用体２４ａ，２４ｂ、作用面（粗面）２５ａ，２５ｂを有する。
柱状胴体２１の外側は、筒状胴体１１に収容されている移動子２が筒状胴体１１の内側に移動可能に接触する形状を有している。言い換えると、移動子２は筒状胴体１１の内側に接触して、移動方向を規制されることにより所定の移動方向に案内される。すなわち、所定の移動方向に垂直な断面形状については、柱状胴体２１の外側の断面形状は、筒状胴体１１の内側の断面形状に対して、形状としては概ね一致する。勿論、移動可能とするために、寸法としては柱状胴体２１の外側の断面形状の方が少し小さい。図１に示す一例においては、所定の移動方向は直線に沿った方向であるが、本発明においては、所定の移動方向は曲線であってもよく直線に限定されない。また、図１に示す一例においては、断面形状は円（円柱の断面）であるが、本発明は、その断面形状が多角形等であってもよく円に限定されない。
【００１１】
蓋体２２ａ，２２ｂは、柱状胴体２１の両端に設けられる。蓋体２２ａ，２２ｂは、図２に示す一例においては、中心部位に軸を有する円盤形状であって、その軸において柱状胴体２１と機械的な結合が行われる。結合した蓋体２２ａ，２２ｂは柱状胴体２１の周面を密閉するのではなく、作用面（粗面）２５ａ，２５ｂが周面に現れるように周面を一周する開口部が形成される。蓋体２２ａ，２２ｂと柱状胴体２１によって囲まれた空間は、その開口部を有するドーナツ形状の空間となっており、その空間には移動子２が移動を行うための機構、すなわち駆動部２３ａ，２３ｂと作用体２４ａ，２４ｂが収容されている。
【００１２】
駆動部２３ａ，２３ｂは、図２に示す一例においては、外形はドーナツ形状であって、蓋体２２ａ，２２ｂと柱状胴体２１によって囲まれた空間に収まる寸法となっている。駆動部２３ａ，２３ｂは、ドーナツ形状における中心軸の方向に伸縮する運動を生じる駆動部である。駆動部２３ａ，２３ｂは、伸縮する運動の振幅が微小なもので済むときには圧電素子を使用することができる。伸縮する運動の振幅をより大きなものとするときには、強磁性体と電磁石とをバネ要素によって結合して電磁石に交流電圧を印加して振動させるような電磁駆動構造によって駆動部２３ａ，２３ｂを実現することができる。駆動部２３ａ，２３ｂの伸縮する運動は作用体２４ａ，２４ｂに伝達される。このとき、ドーナツ形状における中心軸の方向に伸縮する運動は、作用体２４ａ，２４ｂをその方向に運動させるだけでなく、作用体２４ａ，２４ｂを柱状胴体２１の周面を一周する開口部の外側に広げる方向に運動させる。そのため、図２に一例を示すように、駆動部２３ａ，２３ｂと作用体２４ａ，２４ｂとの間で運動を伝達するための接触部分は、テーパー形状となっている。
【００１３】
作用体２４ａ，２４ｂは、図２に示す一例においては、外形はリング形状であって、駆動部２３ａ，２３ｂから力を受けたときに、そのリングの直径が拡縮する作用体である。リングの直径が拡縮するためには、作用体２４ａ，２４ｂは全体として容易に変形し復元する弾性体とする必要性がある。作用体２４ａ，２４ｂには、ゴム、プラスチック、等の弾性材料、機械的な形状（切り欠き、波型、等）によって見かけ上の弾性を付与した材料が使用される。
作用体２４ａ，２４ｂは、図２に一例を示すように、蓋体２２ａ，２２ｂと柱状胴体２１との開口部に存在するが、開口部の高さは作用体２４ａ，２４ｂの高さよりも大きい。したがって、作用体２４ａ，２４ｂは、駆動部２３ａ，２３ｂから力を受けたときに、高さ方向に移動する運動と直径が拡縮する運動とを行う。
【００１４】
作用面（粗面）２５ａ，２５ｂは、蓋体２２ａ，２２ｂと柱状胴体２１との開口部に面した作用体２４ａ，２４ｂの表面である。作用面２５ａ，２５ｂは、固定子１の作用面１３である配向繊維面の繊維の先端を受け止めることができる凹部を有する粗面となっている。固定子１の作用面１３と移動子２の作用面２５ａ，２５ｂが接触面における摩擦力は、繊維の先端の向いている方向、すなわち配向方向に作用する力に対しては小さく、それとは逆方向に作用する力に対しては大きくなる。配向繊維面の繊維の先端が向いている方向は、図１（Ｂ）に示す一例においては、筒状胴体１１の軸方向と平行する方向であって、蓋体１２ｂから蓋体１２ａに向かう方向である。この方向は、図１（Ｂ）においては、上の方向であるから、固定子１に対して移動子２は上の方向には摩擦力が小さく、下の方向には摩擦力が大きい。その結果、作用体２４ａ，２４ｂが、高さ方向に移動する運動と直径が拡縮する運動とを行うとき、固定子１に対して移動子２は上の方向に移動することができる。
【００１５】
出力軸３はアクチュエータ出力を取り出すための出力軸である。出力軸３は移動子２の蓋体２２ｂに結合していて、移動子２と一体で移動する。出力軸３の軸方向は移動子２の移動方向と一致している。出力軸３はは、固定子１の蓋体１２ｂに開けられた孔を貫通して固定子１の外部にアクチュエータ出力を行う。
リード線４ａ，４ｂは、駆動部２３ａ，２３ｂに電力を供給するためのリード線である。リード線４ａ，４ｂは、図１（Ｂ）に示す一例においては、出力軸３に沿うように配線されている。
給電端子５ａ，５ｂは、アクチュエータに電力を供給する外部の電力線とリード線４ａ，４ｂとを結合するための端子である。
給電端子５ａ，５ｂからリード線４ａ，４ｂを通じて駆動部２３ａ，２３ｂに電力を供給する。電力の供給により、駆動部２３ａ，２３ｂはドーナツ形状における中心軸の方向に伸縮する運動を行うが、その伸縮する運動は駆動部２３ａ，２３ｂにおいて独立して行われる。たとえば、給電端子５ａ〜リード線４ａ〜ダイオード（→）〜駆動部２３ａ〜ダイオード（→）〜リード線４ｂ〜給電端子５ｂという回路と、給電端子５ａ〜リード線４ａ〜ダイオード（←）〜駆動部２３ｂ〜ダイオード（←）〜リード線４ｂ〜給電端子５ｂという回路とを給電端子５ａ，５ｂにおいて並列接続した回路を構成する。その回路において、給電端子５ａを正極として電力の供給を開始すると駆動部２３ａにだけ給電が行われ駆動部２３ａが伸びる運動を行い、電力の供給を停止すると駆動部２３ａが縮む運動を行う（元に戻る）。反対に、給電端子５ｂを正極として電力の供給を開始すると駆動部２３ｂにだけ給電が行われ、駆動部２３ｂが伸びる運動を行い、電力の供給を停止すると駆動部２３ｂが縮む運動を行う（元に戻る）。
【００１６】
以上の構成において、本発明のアクチュエータにおける動作について図３を参照して説明する。図３においても、図１、図２と同一部分には同一符号を付してある。
まず、最初のステップにおいて、図３（Ａ）に示すように、移動子２は固定子１に対して出力側の蓋体１２ｂに当接した状態で停止している。すなわち、出力軸３が固定子１から最大限に延び出している状態となっている。
次のステップにおいて、図３（Ｂ）に示すように、給電端子５ａを正極として移動子２に電力の供給を開始すると、駆動部２３ａにだけ給電が行われ、駆動部２３ａが伸びる運動を行う。そして、その伸びる運動が作用体２４ａに伝達され、リング形状の作用体２４ａの直径が広がる運動を行う。直径が広がることにより、移動子２の作用体２４ａの作用面（粗面）２５ａは、固定子１の作用面（配向繊維面）１３と強く接触し摩擦力が大きくなる。このとき作用体２４ａは直径が広がるとともに上方向に移動する運動を行う。上方向は繊維の配向方向に対して同方向であるから移動子の作用面（粗面）２５ａと固定子の作用面（配向繊維面）１３との間の摩擦力は小さく滑りを生じる。したがって、移動子２の作用体２４ａの作用面（粗面）２５ａは、より高い位置の固定子１の作用面（配向繊維面）１３と接触するように、接触位置を移動させる。
【００１７】
次のステップにおいて、図３（Ｃ）に示すように、給電端子５ｂを正極として移動子２に電力の供給を開始すると、駆動部２３ｂにだけ給電が行われ、駆動部２３ｂが伸びる運動を行う。そして、その伸びる運動が作用体２４ｂに伝達され、リング形状の作用体２４ｂの直径が広がる運動を行う。直径が広がることにより、移動子２の作用体２４ｂの作用面２３ｂは、固定子１の作用面（配向繊維面）１３と強く接触し摩擦力が大きくなる。このとき作用体２４ｂは直径が広がるとともに下方向（繊維の配向方向に対して逆方向）に移動する運動を行う。下方向は繊維の配向方向に対して逆方向であるから移動子の作用面２３ｂと固定子の作用面（配向繊維面）１３との間の摩擦力は大きく滑りを生じない。したがって、移動子２の作用体２４ｂの作用面２３ｂと固定子１の作用面（配向繊維面）１３との接触位置は変化せず、移動子２が上方向に押し上げられて移動させられる。
これら図３（Ｂ）と図３（Ｃ）に示すステップにおける動作を繰返すことにより、移動子２は固定子１に対して作用面（配向繊維面）１３の繊維の配向方向である上方向に移動する。すなわち、出力軸３が固定子１から最大限に延び出している状態から縮む運動を行う。
【００１８】
以上、本発明のアクチュエータの実施の形態について一例を説明した。この一例においては、固定子１に対して移動子２は一方向にだけ移動することができる。筒状胴体１１が蓋体１２ａ，１２ｂによって境界を有するものではなく、筒状胴体１１がエンドレスチューブのような構造であれば、出発点に戻ることができる。その場合の出力軸３は、筒状胴体１１の軸方向に沿って筒状胴体１１に開けられたスリットから筒状胴体１１の外側に出すように構成することができる。しかし、筒状胴体１１が境界を有するものであれば、一方向に移動しきった移行子２を戻すためには、最大摩擦力よりも大きな力で戻す、作用体２４ａ，２４ｂをともに引っ込ませて摩擦力を小さくして戻す、等の方法を行う必要性がある。アクチュエータとしての用途を広げるためには、移動子２は両方向に移動することができるものが好ましい。そこで、次に、両方向に移動することができる別の一例について説明する。
【００１９】
次に、本発明のアクチュエータにおける構成について、別の一例の説明図を図４に示す。また、本発明のアクチュエータにおける移動子の構成について、別の一例の説明図を図５に示す。図４、図５において、１０１は固定子、１０２は移動子、１０３は出力軸、１０４ａ，１０４ｂはリード線、１０５ａ，１０５ｂは給電端子、１１１は筒状胴体、１１２ａ，１１２ｂは蓋体、１１３は作用面（等方性粗面）、１２１は柱状胴体、１２２ａ，１２２ｂは蓋体、１２３ａ，１２３ｂは駆動部、１２４ａ，１２４ｂは作用体、１２５ａ，１２５ｂは作用面（配向繊維面）である。
固定子１０１は、アクチュエータを使用する装置のフレーム等に固定されるアクチュエータの部分である。固定子１０１は、図４に示す一例においては、筒状胴体１１１、蓋体１１２ａ，１１２ｂを有する。
筒状胴体１１１の内側には、移動子１０２を収容するとともに、所定の移動方向に移動するときに必要とする空間が形成されている。言い換えると、筒状胴体１１１は移動子１０２をその空間によって規制して所定の移動方向に案内する作用を有する。すなわち、所定の移動方向に垂直な断面形状については、筒状胴体１１１の内側の断面形状は移動子１０２の外側の断面形状に対して、形状としては概ね一致する。勿論、移動可能とするために、寸法としては筒状胴体１１１の内側の断面形状の方が少し大きい。図４に示す一例においては、所定の移動方向は直線に沿った方向であるが、本発明においては、所定の移動方向は曲線であってもよく直線に限定されない。また、図４に示す一例においては、断面形状は円（円筒の断面）であるが、本発明は、その断面形状が多角形等であってもよく円に限定されない。
筒状胴体１１１は、その内側の面（内面）が移動子２を移動させる力を作用させる固定子１の作用面１３となっている。図１に示す一例においては、作用面１１３の表面は等方性の粗面となっている。等方性とは、筒状胴体１１１の軸方向に沿った移動子１０２の２つ移動方向、すなわち両方向について物理的、機械的な性質が等しいということである。このような粗面は、表面を機械的に処理する方法（サンドブラスト法、等）、表面を化学的に処理する方法（レジスト膜を介した腐食液によるエッチング、等）により形成することができる。また、繊維の縦糸と横糸にて形成される粗面をそもまま利用することができる。
【００２０】
蓋体１１２ａ，１１２ｂは、固定子１０１において移動子１０２を収容し、移動子１０２の移動範囲を規定するためのものであり、筒状胴体１１１の両側端に設けられる。蓋体１１２ａ，１１２ｂの少なくとも一方には、アクチュエータ出力を取り出すための出力軸３を貫通させる孔が開けられている。また、蓋体１１２ａ，１１２ｂには、固定子１０１の外側と内側の間で空気の流通を容易にするための孔を設けることができる。固定子１０１と移動子１０２は各々の作用面において接触しているが、容易に空気が移動できるような隙間を確保することが可能である。しかし、空気の移動によるダンピングの影響、等をなくすためには、孔を設けることが効果的である。
【００２１】
移動子１０２は、固定子１０１に対して相対的な移動を行うことによりアクチュエータ出力を生じるアクチュエータの部分である。移動子１０２は、図４に示す一例においては、柱状胴体１２１、蓋体１２２ａ，２２ｂ、駆動部１２３ａ，１２３ｂ、作用体１２４ａ，１２４ｂ、作用面（配向繊維面）１２５ａ，１２５ｂを有する。
柱状胴体１２１の外側は、筒状胴体１１１に収容されている移動子１２が筒状胴体１１１の内側に移動可能に接触する形状を有している。言い換えると、移動子１０２は筒状胴体１１１の内側に接触して、移動方向を規制されることにより所定の移動方向に案内される。すなわち、所定の移動方向に垂直な断面形状については、柱状胴体１２１の外側の断面形状は、筒状胴体１１１の内側の断面形状に対して、形状としては概ね一致する。勿論、移動可能とするために、寸法としては柱状胴体１２１の外側の断面形状の方が少し小さい。図４に示す一例においては、所定の移動方向は直線に沿った方向であるが、本発明においては、所定の移動方向は曲線であってもよく直線に限定されない。また、図４に示す一例においては、断面形状は円（円柱の断面）であるが、本発明は、その断面形状が多角形等であってもよく円に限定されない。
【００２２】
蓋体１２２ａ，１２２ｂは、柱状胴体１２１の両端に設けられる。蓋体１２２ａ，１２２ｂは、図５に示す一例においては、中心部位に軸を有する円盤形状であって、その軸において柱状胴体１２１と機械的な結合が行われる。結合した蓋体１２２ａ，１２２ｂは柱状胴体１２１の周面を密閉するのではなく、作用面（配向繊維面）１２５ａ，１２５ｂが周面に現れるように周面を一周する開口部が形成される。蓋体１２２ａ，１２２ｂと柱状胴体１２１によって囲まれた空間は、その開口部を有するドーナツ形状の空間となっており、その空間には移動子１０２が移動を行うための機構、すなわち駆動部１２３ａ，１２３ｂと作用体１２４ａ，１２４ｂが収容されている。
【００２３】
駆動部１２３ａ，１２３ｂは、図５に示す一例においては、外形はドーナツ形状であって、蓋体１２２ａ，１２２ｂと柱状胴体１２１によって囲まれた空間に収まる寸法となっている。駆動部１２３ａ，１２３ｂは、ドーナツ形状における中心軸の方向に伸縮する運動を生じる駆動部である。駆動部１２３ａ，１２３ｂは、伸縮する運動の振幅が微小なもので済むときには圧電素子を使用することができる。伸縮する運動の振幅をより大きなものとするときには、強磁性体と電磁石とをバネ要素によって結合して電磁石に交流電圧を印加して振動させるような電磁駆動構造によって駆動部１２３ａ，１２３ｂを実現することができる。駆動部１２３ａ，１２３ｂの伸縮する運動は作用体１２４ａ，１２４ｂに伝達される。このとき、ドーナツ形状における中心軸の方向に伸縮する運動は、作用体１２４ａ，１２４ｂをその方向に運動させるだけでなく、作用体１２４ａ，１２４ｂを柱状胴体１２１の周面を一周する開口部の外側に広げる方向に運動させる。そのため、図２に一例を示すように、駆動部１２３ａ，１２３ｂと作用体１２４ａ，１２４ｂとの間で運動を伝達するための接触部分は、テーパー形状となっている。
【００２４】
作用体１２４ａ，１２４ｂは、図５に示す一例においては、外形はリング形状であって、駆動部１２３ａ，１２３ｂから力を受けたときに、そのリングの直径が拡縮する作用体である。リングの直径が拡縮するためには、作用体１２４ａ，１２４ｂは全体として容易に変形し復元する弾性体とする必要性がある。作用体１２４ａ，１２４ｂには、ゴム、プラスチック、等の弾性材料、機械的な形状（切り欠き、波型、等）によって見かけ上の弾性を付与した材料が使用される。
作用体１２４ａ，１２４ｂは、図５に一例を示すように、蓋体１２２ａ，１２２ｂと柱状胴体１２１との開口部に存在するが、開口部の高さは作用体１２４ａ，１２４ｂの高さよりも大きい。したがって、作用体１２４ａ，１２４ｂは、駆動部１２３ａ，１２３ｂから力を受けたときに、高さ方向に移動する運動と直径が拡縮する運動とを行う。
【００２５】
作用面（配向繊維面）１２５ａ，１２５ｂは、蓋体１２２ａ，１２２ｂと柱状胴体１２１との開口部に面した作用体１２４ａ，１２４ｂの表面である。固定子１０１の作用面１１３は、移動子１０２の作用面１２５ａ，１２５ｂである配向繊維面における繊維の先端を受け止めることができる凹部を有する粗面となっている。固定子１０１の作用面１１３と移動子１０２の作用面１２５ａ，１２５ｂが接触面における摩擦力は、繊維の先端の向いている方向、すなわち配向方向に作用する力に対しては小さく、それとは逆方向に作用する力に対しては大きくなる。配向繊維面の繊維の先端が向いている方向は、作用面１２５ａと１２５ｂにおいて異なっている。図４（Ｂ）に示す一例においては、作用面１２５ａにおける配向繊維面の繊維の先端が向いている方向は、柱状胴体１２１の軸方向と平行する方向であって、蓋体１２２ａから蓋体１２２ｂに向かう方向である。この作用面１２５ａの方向について見れば、固定子１０１に対して移動子１０２は、図４（Ｂ）における上の方向には摩擦力が小さく、下の方向には摩擦力が大きい。その結果、作用体１２４ａだけが、高さ方向に移動する運動と直径が拡縮する運動とを行うとき、固定子１０１に対して移動子１０２は上の方向に移動することができる。また、作用面１２５ｂにおける配向繊維面の繊維の先端が向いている方向は、柱状胴体１２１の軸方向と平行する方向であって、蓋体１２２ｂから蓋体１２２ａに向かう方向である。この作用面１２５ｂび方向について見れば、固定子１０１に対して移動子１０２は、図４（Ｂ）における下の方向には摩擦力が小さく、上の方向には摩擦力が大きい。その結果、作用体１２４ｂだけが、高さ方向に移動する運動と直径が拡縮する運動とを行うとき、固定子１０１に対して移動子１０２は下の方向に移動することができる。
【００２６】
出力軸１０３はアクチュエータ出力を取り出すための出力軸である。出力軸１０３は移動子１０２の蓋体１２２ｂに結合していて、移動子１０２と一体で移動する。出力軸１０３の軸方向は移動子１０２の移動方向と一致している。出力軸１０３は、固定子１０１の蓋体１１２ｂに開けられた孔を貫通して固定子１０１の外部にアクチュエータ出力を行う。
リード線１０４ａ，１０４ｂは、駆動部１２３ａ，１２３ｂに電力を供給するためのリード線である。リード線１０４ａ，１０４ｂは、図４（Ｂ）に示す一例においては、出力軸１０３に沿うように配線されている。
給電端子１０５ａ，１０５ｂは、アクチュエータに電力を供給する外部の電力線とリード線１０４ａ，１０４ｂとを結合するための端子である。
給電端子１０５ａ，１０５ｂからリード線１０４ａ，１０４ｂを通じて駆動部１２３ａ，１２３ｂに電力を供給する。電力の供給により、駆動部１２３ａ，１２３ｂはドーナツ形状における中心軸の方向に伸縮する運動を行うが、その伸縮する運動は駆動部１２３ａ，１２３ｂにおいて移動方向に応じて切替が行われる。たとえば、給電端子１０５ａ〜リード線１０４ａ〜ダイオード（→）〜駆動部１２３ａ〜ダイオード（→）〜リード線１０４ｂ〜給電端子１０５ｂという回路と、給電端子１０５ａ〜リード線１０４ａ〜ダイオード（←）〜駆動部１２３ｂ〜ダイオード（←）〜リード線１０４ｂ〜給電端子１０５ｂという回路とを給電端子１０５ａ，１０５ｂにおいて並列接続した回路を構成する。その回路において、給電端子１０５ａを正極として電力の供給を開始すると駆動部１２３ａにだけ給電が行われ、駆動部１２３ａが伸びる運動を行い、電力の供給を停止すると駆動部１２３ａが縮む運動を行う（元に戻る）。電力の供給の開始と停止を所定の周期で繰返すことにより、駆動部１２３ａの駆動が行われる。反対に、給電端子１０５ｂを正極として電力の供給を開始すると駆動部１２３ｂにだけ給電が行われ、駆動部１２３ｂが伸びる運動を行い、電力の供給を停止すると駆動部１２３ｂが縮む運動を行う（元に戻る）。電力の供給の開始と停止を所定の周期で繰返すことにより、駆動部１２３ｂの駆動が行われる。
【００２７】
以上の構成において、本発明のアクチュエータにおける動作について図６を参照して説明する。図６においても、図４、図５と同一部分には同一符号を付してある。
まず、最初のステップにおいて、図６（Ａ）に示すように、移動子１０２は固定子１０１に対して出力側の蓋体１１２ｂに当接した状態で停止している。すなわち、出力軸１０３が固定子１０１から最大限に延び出している状態となっている。
次のステップにおいて、図６（Ｂ）に示すように、給電端子１０５ａを正極として移動子１０２に電力の供給を開始すると、駆動部１２３ａにだけ給電が行われ、駆動部１２３ａが伸びる運動を行う。そして、その伸びる運動が作用体１２４ａに伝達され、リング形状の作用体１２４ａの直径が広がる運動を行う。直径が広がることにより、移動子１０２の作用体１２４ａの作用面（配向繊維面）１２５ａは、固定子１の作用面（等方性粗面）１１３と強く接触し摩擦力が大きくなる。このとき作用体１２４ａは直径が広がるとともに上方向に移動する運動を行う。上方向は繊維の配向方向に対して逆方向であるから移動子の作用面（配向繊維面）１２５ａと固定子の作用面（等方性粗面）１１３との間の摩擦力は小さく滑りを生じる。したがって、移動子１０２の作用体１２４ａの作用面１２５ａは、より高い位置の固定子１０１の作用面（等方性粗面）１１３と接触するように、接触位置を移動させる。
このとき、給電が行われていない駆動部１２３ｂが駆動するリング形状の作用体１２４ｂの直径は縮まったままの状態であり、作用面（配向繊維面）１２５ｂは実質的に固定子の作用面（等方性粗面）１１３とは非接触状態となっている。すなわち、一方の駆動部にだけ給電を行うことが全体して接触切替手段として動作することになる。この接触切替手段は簡易的な方法であるが、配向繊維面と投法性粗面が接触しないように分離する機構、たとえば作用面後退機構、配向繊維面遮蔽機構、等の本格的な接触切替手段を別途設けてもよい。
【００２８】
続いて、移動子１０２への電力の供給を停止すると、駆動部１２３ａへの給電が停止し、駆動部１２３ａが縮む運動を行う。そして、その縮む運動が作用体１２４ａに伝達され、リング形状の作用体１２４ａの直径が縮まる運動を行う。直径が縮まることにより、移動子１０２の作用体１２４ａの作用面（配向繊維面）１２５ａは、固定子１の作用面（等方性粗面）１１３と弱く接触し摩擦力が小さくなる。このとき作用体１２４ａは直径が縮まるとともに下方向に移動する運動を行う。下方向は繊維の配向方向に対して同方向であるから移動子の作用面（配向繊維面１）１２５ａと固定子の作用面（等方性粗面）１１３との間の摩擦力は大きく滑りは生じない。したがって、移動子１０２の作用体１２４ｂの作用面（配向繊維面）１２５ｂと固定子１０１の作用面（等方性粗面）１１３との接触位置は変化せず、移動子２が上方向に押し上げられて移動させられる。
この図６（Ｂ）のステップにおける、電力の供給と停止を繰返すことにより、移動子１０２は固定子１０１に対して出力側の蓋体１１２ａに当接するまで移動し停止する。すなわち、出力軸１０３が固定子１０１から最大限に延び出している状態から最大限に縮んでいる状態となる。
【００２９】
次のステップにおいて、図６（Ｃ）に示すように、給電端子１０５ｂを正極として移動子１０２に電力の供給を開始すると、駆動部１２３ｂにだけ給電が行われ、駆動部１２３ｂが伸びる運動を行う。そして、その伸びる運動が作用体１２４ｂに伝達され、リング形状の作用体１２４ｂの直径が広がる運動を行う。直径が広がることにより、移動子１０２の作用体１２４ｂの作用面（配向繊維面）１２５ｂは、固定子１０１の作用面（等方性粗面）１１３と強く接触し摩擦力が大きくなる。このとき作用体１２４ｂは直径が広がるとともに下方向に移動する運動を行う。下方向は繊維の配向方向に対して逆方向であるから移動子の作用面（配向繊維面）１２５ｂと固定子の作用面（等方性粗面）１１３との間の摩擦力は小さく滑りを生じる。したがって、移動子１０２の作用体１２４ｂの作用面（配向繊維面）１２５ｂは、より低い位置の固定子１０１の作用面（等方性粗面）１１３と接触するように、接触位置を移動させる。
このとき、給電が行われていない駆動部１２３ａが駆動するリング形状の作用体１２４ａの直径は縮まったままの状態であり、作用面（配向繊維面）１２５ａは実質的に固定子の作用面（等方性粗面）１１３とは非接触状態となっている。すなわち、一方の駆動部にだけ給電を行うことが全体して接触切替手段として動作することになる。この接触切替手段は簡易的な方法であるが、配向繊維面と投法性粗面が接触しないように分離する機構、たとえば作用面後退機構、配向繊維面遮蔽機構、等の本格的な接触切替手段を別途設けてもよい。
【００３０】
続いて、移動子１０２への電力の供給を停止すると、駆動部１２３ｂへの給電が停止し、駆動部１２３ｂが縮む運動を行う。そして、その縮む運動が作用体１２４ｂに伝達され、リング形状の作用体１２４ｂの直径が縮まる運動を行う。直径が縮まることにより、移動子１０２の作用体１２４ｂの作用面（配向繊維面）１２５ｂは、固定子１の作用面（等方性粗面）１１３と弱く接触し摩擦力が小さくなる。このとき作用体１２４ｂは直径が縮まるとともに上方向に移動する運動を行う。上方向は繊維の配向方向に対して同方向であるから移動子１０２の作用面（配向繊維面１）１２５ａと固定子の作用面（等方性粗面）１１３との間の摩擦力は大きく滑りは生じない。したがって、移動子１０２の作用体１２４ｂの作用面（配向繊維面）１２５ｂと固定子１の作用面（等方性粗面）１１３との接触位置は変化せず、移動子１０２が下方向に押し下げられて移動させられる。
この図６（Ｃ）のステップにおける、電力の供給と停止を繰返すことにより、移動子１０２は固定子１０１に対して出力側の蓋体１１２ｂに当接するまで移動し停止する。すなわち、出力軸１０３が固定子１０１から最大限に縮んでいる状態から最大限に延び出している状態となる。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態について説明した。最初の一例は、固定子の作用面が配向繊維面であり移動子の作用面が粗面であり、移動子の２つの作用体が協調した動作で同方向への移動を行う。また、次の一例は、固定子の作用面が等方性粗面であり移動子の作用面が配向繊維面であり、移動子における２つの作用体は独立した動作で逆方向への移動を行う。本発明はそれらの実施の形態だけに限定されるものではなく、様々な形態で実施することができ、それらも本発明に含まれる。たとえば、最初の一例における移動子の作用体を２つよりももっと多数とする構成により出力を大きくすることができる。また、次の一例においては一方向に移動するための移動子の作用体は１つであるが、最初の一例のように作用体を２つ、またはそれよりももっと多数とする構成により出力を大きくすることができる。また、最初の一例における移動子の作用体を２つは交互に（すなわち所定の位相差で）動作させる説明を行ったが、移動子の作用体を２つよりももっと多数とする構成を含めて同時に（すなわち同位相で）動作させてもよい。位相差があるときには滑らかな移動が得られ、同時のときには強い衝撃的な移動の力が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のアクチュエータにおける構成の一例を説明する図である。
【図２】本発明のアクチュエータにおける移動子の構成の一例を説明する図である。
【図３】本発明のアクチュエータにおける動作の一例を説明する図である。
【図４】本発明のアクチュエータにおける構成について、別の一例を説明する図である。
【図５】本発明のアクチュエータにおける移動子の構成について、別の一例を説明する図である。
【図６】本発明のアクチュエータにおける動作について、別の一例を説明する図である。
【符号の説明】
【００３３】
１，１０１  固定子
２，１０２  移動子
３，１０３  出力軸
４ａ，４ｂ，１０４ａ，１０４ｂ  リード線
５ａ，５ｂ，１０５ａ，１０５ｂ  給電端子
１１，１１１  筒状胴体
１２ａ，１２ｂ，１２５ａ，１２５ｂ  蓋体
１３  作用面（配向繊維面）
２１，１２１  柱状胴体
２２ａ，２２ｂ，１２２ａ，１２２ｂ  蓋体
２３ａ，２３ｂ，１２３ａ，１２３ｂ  駆動部
２４ａ，２４ｂ，１２４ａ，１２４ｂ  作用体
２５ａ，２５ｂ  作用面（粗面）
１１３  作用面（等方性粗面）
１２５ａ，１２５ｂ  作用面（配向繊維面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008118738.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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