(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１または複数の第１アクチュエータ繊維を含む第１アクチュエータユニットと、
１または複数の第２アクチュエータ繊維を含む第２アクチュエータユニットと、
ベース部と、
相対変位部とを含み、
前記１または複数の第１アクチュエータ繊維、および、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々は、１または複数の高分子繊維が捩られて形成された高分子繊維体が螺旋状に巻回された構造を含み、
前記１または複数の第１アクチュエータ繊維、および、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々は、各々が含む前記高分子繊維体の温度が変化すると、伸縮し、
前記第１アクチュエータユニットは、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維を用いて伸縮し、前記第２アクチュエータユニットは、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維を用いて伸縮し、
前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々のばね定数は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の各々のばね定数より大きく、
前記第２アクチュエータユニットの最大変位量は、前記第１アクチュエータユニットの最大変位量より小さく、
前記第１アクチュエータユニットおよび前記第２アクチュエータユニットは、前記ベース部と前記相対変位部との間に位置し、
前記相対変位部の前記ベース部に対する変位量が第１変位量未満の場合は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の温度が制御され、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の温度は制御されず、
前記相対変位部の前記ベース部に対する変位量が前記第１変位量以上、かつ、前記相対変位部の前記ベース部に対する最大変位量以下の場合は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の温度が制御され、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の温度が制御される
アクチュエータ。
【請求項２】
前記相対変位部は複数の電極部を含み、
前記複数の電極部と、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維とは各々対応し、
前記変位量が前記第１変位量未満の場合は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の温度は、前記複数の電極部のうち前記第１アクチュエータ繊維に対応する電極部を用いた通電によって制御され、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は通電されず、
前記変位量が前記第１変位量以上かつ前記最大変位量以下の場合は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の温度、および、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の温度は、各々対応する前記複数の電極部を用いた通電によって制御される
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
さらに、
前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の通電を制御する第１制御器と、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の通電を制御する第２制御器とを含む制御部を備える
請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記制御部は、
前記変位量が前記第１変位量以上かつ前記最大変位量以下の場合は、前記第１制御器と前記第２制御器を用いて、前記第１アクチュエータユニットの変位量から前記第１変位量を引いた量と、前記第２アクチュエータユニットの変位量とを等しくする
請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記１または複数の第１アクチュエータ繊維と、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維とが、一列に並んで配置された
請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記配置は、前記列の両端に位置する２つのアクチュエータ繊維の中間線を基準として線対称である
請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の各々は、第１コイル径と、第１ばねピッチと、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の高分子繊維体の線径である第１線径とを含む第１ばね形状を有し、
前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々は、前記第１コイル径と等しい第２コイル径と、前記第１ばねピッチと等しい第２ばねピッチと、前記第１線径と等しい前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の高分子繊維体の線径である第２線径とを含む第２ばね形状を有し、
前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の各々の長さと、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々の長さとが異なる
請求項１〜６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は、ばね定数の異なる複数のアクチュエータ繊維を含み、
前記ばね定数の異なる複数のアクチュエータ繊維ごとに、張力が作用する変位範囲が異なる
請求項１〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は、長さが異なるアクチュエータ繊維を含む
請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維のそれぞれのひずみを同一とする必要条件の一つは、前記変位量が前記第１変位量以上かつ前記最大変位量以下である
請求項９に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記両端は第１端と第２端を含み、
前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は、前記中間線から前記第１端に向かって第１順、前記中間線から前記第２端に向かって前記第１順で配置されており、
前記第１順は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維のばね定数の逆数が線形的に増加する、または、線形的に減少する
請求項６に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記両端は第１端と第２端を含み、
前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は、前記中間線から前記第１端に向かって第１順、前記中間線から前記第２端に向かって前記第１順で配置されており、
前記第１順は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維のばね定数の逆数が指数関数的に増加する、または、指数関数的に減少する
請求項６に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記両端は第１端を含み、
前記中間線と前記第１端との間または前記第１端に位置する前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は、少なくともｎ個（ｎ≧３、ｎは整数）のアクチュエータ繊維を含み、前記ｎ個のアクチュエータ繊維に含まれる任意の３つのアクチュエータ繊維に含まれる２つのアクチュエータ繊維の間に位置するアクチュエータ繊維のばね定数は、前記任意の３つのアクチュエータ繊維のうちの最大のばね定数よりも小さく、最小のばね定数よりも大きい
請求項６に記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維は一列に並んで配置され、前記並んで配置された前記第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維のうちの少なくとも一部の並びにおいて、前記並んで配置された方向の一方向または前記一方向とは反対の方向に沿って、前記第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維のばね定数の逆数が線形的に変化する
請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維は一列に並んで配置され、前記並んで配置された前記第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維のうちの少なくとも一部の並びにおいて、前記並んで配置された方向の一方向または前記一方向とは反対の方向に沿って、前記第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維のばね定数の逆数が指数関数的に変化する
請求項８に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、温度変化に伴って伸縮するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用ロボットなど人間に近い場所において動作する機械に対する要求の高まりに伴い、人間の筋肉のように軽量かつ柔軟な特徴を備える人工筋肉アクチュエータへの期待も大きくなっている。人工筋肉アクチュエータと呼ばれるアクチュエータには様々な種類がある。人工筋肉アクチュエータの多くは軽量かつ柔軟という特徴に適合しやすい高分子素材の変形を用いたアクチュエータである。
【０００３】
高分子素材の変形を用いたアクチュエータの一つとして、加撚した高分子繊維体をコイル状に巻いたアクチュエータが知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。このアクチュエータは、複数の高分子繊維が撚られて形成された高分子繊維体の温度変化にともなって伸縮する繊維状のアクチュエータである。高分子繊維体の温度が上昇すると、撚られた高分子繊維体が解撚動作し、コイル状の繊維の全長が収縮もしくは伸長する。高分子繊維体の温度が低下すると、高分子繊維体の解撚動作が元に戻り、逆にコイル状の繊維の全長が伸長もしくは収縮する。温度上昇時に収縮するか伸長するかは、高分子繊維体が撚られた方向と、コイルが巻かれた方向とが同じか逆かで決まる。高分子繊維体が撚られた方向と、コイルが巻かれた方向が同じ方向の場合、このアクチュエータの全長は温度上昇に伴って収縮し、温度低下に伴って伸長する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０２２６６７号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Cart er S. Haines、他１９名、「Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread」、SCIENCE, VOL.343, p868-872, 21 FEBRUARY 2014
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、実際に、従来のアクチュエータを使用する場合を考えると、アクチュエータが破損しないように、アクチュエータへ加えられる想定される負荷の最大値が許容最大負荷を超えないように設定する必要がある。そのため、安全率を考慮すると、アクチュエータの常用負荷は許容最大負荷を大きく下回ることになり、常用負荷における駆動効率が低下するという問題がある。
【０００７】
本開示の非限定的で例示的な一態様は、駆動効率を向上させたアクチュエータである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の非限定的で例示的な一態様に係るアクチュエータは、１または複数の第１アクチュエータ繊維を含む第１アクチュエータユニットと、１または複数の第２アクチュエータ繊維を含む第２アクチュエータユニットと、ベース部と、相対変位部とを含み、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維、および、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々は、１または複数の高分子繊維が捩られて形成された高分子繊維体が螺旋状に巻回された構造を含み、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維、および、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々は、各々が含む前記高分子繊維体の温度が変化すると、伸縮し、前記第１アクチュエータユニットは、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維を用いて伸縮し、前記第２アクチュエータユニットは、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維を用いて伸縮し、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々のばね定数は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の各々のばね定数より大きく、前記第２アクチュエータユニットの最大変位量は、前記第１アクチュエータユニットの最大変位量より小さく、前記第１アクチュエータユニットおよび前記第２アクチュエータユニットは、前記ベース部と前記相対変位部との間に位置し、前記相対変位部の前記ベース部に対する変位量が第１変位量未満の場合は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の温度が制御され、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の温度は制御されず、前記相対変位部の前記ベース部に対する変位量が前記第１変位量以上、かつ、前記相対変位部の前記ベース部に対する最大変位量以下の場合は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の温度が制御され、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の温度が制御される。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によればアクチュエータは、駆動効率を向上させることができる。本開示の一態様の付加的な恩恵及び有利な点は本明細書及び図面から明らかとなる。この恩恵及び／又は有利な点は、本明細書及び図面に開示した様々な態様及び特徴により個別に提供され得るものであり、その１以上を得るために全てが必要ではない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施の形態１にかかるアクチュエータの概略を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１にかかるアクチュエータに種々の負荷を加えた際の概略を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態１にかかるアクチュエータの駆動効率を示す表である。
【図４】図４は、実施の形態１にかかるアクチュエータにおける負荷と変位量の関係を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態１にかかるアクチュエータにおける負荷と駆動効率の関係を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態２にかかるアクチュエータの概略を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態２にかかるアクチュエータに種々の負荷を加えた際の概略を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態２にかかるアクチュエータの駆動効率を示す表である。
【図９】図９は、実施の形態２にかかるアクチュエータにおける負荷と変位量の関係を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２にかかるアクチュエータにおける負荷と駆動効率の関係を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態３にかかるアクチュエータの概略を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態３にかかるアクチュエータに種々の負荷を加えた際の概略を示す図である。
【図１３】図１３は、実施の形態３にかかるアクチュエータの駆動効率を示す表である。
【図１４】図１４は、実施の形態３にかかるアクチュエータにおける負荷と変位量の関係を示す図である。
【図１５】図１５は、実施の形態３にかかるアクチュエータにおける負荷と駆動効率の関係を示す図である。
【図１６】図１６は、アクチュエータ繊維の概略を示す図である。
【図１７】図１７は、アクチュエータ繊維に異なる負荷を加えた際の動作の概略を示す図である。
【図１８】図１８は、アクチュエータ繊維を用いた比較例１のアクチュエータの概略を示す図である。
【図１９】図１９は、比較例１のアクチュエータに種々の負荷を加えた際の概略を示す図である。
【図２０】図２０は、比較例１のアクチュエータの駆動効率を示す表である。
【図２１】図２１は、アクチュエータ繊維を用いた比較例２のアクチュエータの概略を示す図である。
【図２２】図２２は、比較例２のアクチュエータに種々の負荷を加えた際の概略を示す図である。
【図２３】図２３は、比較例２のアクチュエータの駆動効率を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の基礎となった知見）
本発明者は、「背景技術」の欄において記載したアクチュエータに関し、以下の問題が生じることを見出した。
【００１２】
背景技術に示されるような、加撚した高分子繊維体をコイル状に巻いたアクチュエータでは、温度変化に伴う変位が負荷にかかわらずほぼ一定の特性を示す。これは、負荷とコイルばねとしての弾性力が釣り合った位置から、温度変化に応じて発生した力の分に応じた釣合の位置が変化しているためと考えられる。このような特性を有するアクチュエータでは、変位ΔＬを発生させるために必要な熱エネルギーＷが負荷Ｐに影響されないため、投入した熱エネルギーに対する仕事の割合である駆動効率η＝ＰΔＬ／Ｗは、負荷が大きいほど高くなることがわかる。したがって、駆動効率は、アクチュエータが許容できる最大負荷の時が、最大であり、負荷が小さくなるほど低下することになる。
【００１３】
そのため、前述したように安全率を考慮すると、アクチュエータの常用負荷は許容最大負荷を大きく下回ることになり、常用負荷における駆動効率が低下するという問題がある。
【００１４】
このような問題を解決するために、本開示の一態様に係るアクチュエータは、１または複数の第１アクチュエータ繊維を含む第１アクチュエータユニットと、１または複数の第２アクチュエータ繊維を含む第２アクチュエータユニットと、ベース部と、相対変位部とを含み、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維、および、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々は、１または複数の高分子繊維が捩られて形成された高分子繊維体が螺旋状に巻回された構造を含み、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維、および、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々は、各々が含む前記高分子繊維体の温度が変化すると、伸縮し、前記第１アクチュエータユニットは、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維を用いて伸縮し、前記第２アクチュエータユニットは、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維を用いて伸縮し、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々のばね定数は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の各々のばね定数より大きく、第２アクチュエータユニットの最大変位量は、前記第１アクチュエータユニットの最大変位量より小さく、前記第１アクチュエータユニットおよび前記第２アクチュエータユニットは、前記ベース部と前記相対変位部との間に位置し、前記相対変位部の前記ベース部に対する変位量が第１変位量未満の場合は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の温度が制御され、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の温度は制御されず、前記相対変位部の前記ベース部に対する変位量が前記第１変位量以上、かつ、前記相対変位部の前記ベース部に対する最大変位量以下の場合は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の温度が制御され、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の温度が制御される。
【００１５】
この構成によれば、アクチュエータが、第１アクチュエータユニットを用いて相対変位部を移動させる状態、または、第１アクチュエータユニットおよび第２アクチュエータユニットを用いて相対変位部を移動する状態を備えることが可能になる。そのため、例えば、相対変位部に作用する負荷が小さい場合には、第２アクチュエータユニットを用いずに、第１アクチュエータユニットを用いて相対変位部を移動させることができる。この場合、第１アクチュエータユニットを構成する１または複数の第１アクチュエータ繊維、および、第２アクチュエータユニットを構成する１または複数の第２アクチュエータ繊維の双方に張力が作用する場合に必要な熱エネルギーと比べて、第２アクチュエータユニットの温度を変化させるのに必要な熱エネルギー分が削減でき、低負荷時での駆動効率を高めることができる。よって、アクチュエータの駆動効率を向上させることができる。
【００１６】
例えば、前記相対変位部は複数の電極部を含み、前記複数の電極部と、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維とは各々対応し、前記変位量が前記第１変位量未満の場合は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の温度は、前記複数の電極部のうち前記第１アクチュエータ繊維に対応する電極部を用いた通電によって制御され、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は通電されず、前記変位量が前記第１変位量以上かつ前記最大変位量以下の場合は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の温度、および、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の温度は、各々対応する前記複数の電極部を用いた通電によって制御されてもよい。
【００１７】
この構成によれば、複数の電極部を用いて、１または複数の第２アクチュエータ繊維と相対変位部との電気的な接続の切り替えを行うことができる。これにより、変位量が第１変位量未満の場合は、１または複数の第１アクチュエータ繊維に対応する電極部を用いた通電によって、第１アクチュエータ繊維を制御することになり、アクチュエータの駆動効率を高めることができる。
【００１８】
例えば、さらに、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の通電を制御する第１制御器と、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の通電を制御する第２制御器とを含む制御部を備えていてもよい。
【００１９】
この構成によれば、１または複数の第１アクチュエータ繊維および１または複数の第２アクチュエータ繊維の温度をそれぞれ制御するとともに、これら第１アクチュエータ繊維および第２アクチュエータ繊維の伸縮をそれぞれ制御することができる。
【００２０】
例えば、前記制御部は、前記変位量が前記第１変位量以上かつ前記最大変位量以下の場合は、前記第１制御器と前記第２制御器を用いて、前記第１アクチュエータユニットの変位量から前記第１変位量を引いた量と、前記第２アクチュエータユニットの変位量とを等しくしてもよい。
【００２１】
この構成によれば、第１アクチュエータユニットおよび第２アクチュエータユニットのどちらかに負荷が偏ることがなくなるので、より信頼性の高いアクチュエータが得られる。
【００２２】
例えば、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維と、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維とが、一列に並んで配置されていてもよい。
【００２３】
この構成によれば、一列に並んで配置された、１または複数の第１アクチュエータ繊維と１または複数の第２アクチュエータ繊維とで負荷を保持する構造になるので、より薄型なアクチュエータが得られる。
【００２４】
例えば、前記配置は、前記列の両端に位置する２つのアクチュエータ繊維の中間線を基準として線対称であってもよい。
【００２５】
この構成によれば、１または複数の第１アクチュエータ繊維と１または複数の第２チュエータ繊維とで相対変位部を移動する際に、モーメントの発生が抑制されるので、より使いやすいアクチュエータが得られる。
【００２６】
例えば、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の各々は、第１コイル径と、第１ばねピッチと、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の高分子繊維体の線径である第１線径とを含む第１ばね形状を有し、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々は、前記第１コイル径と等しい第２コイル径と、前記第１ばねピッチと等しい第２ばねピッチと、前記第１線径と等しい前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の高分子繊維体の線径である第２線径とを含む第２ばね形状を有し、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の各々の長さと、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々の長さとが異なっていてもよい。
【００２７】
この構成によれば、１または複数の第１アクチュエータ繊維と１または複数の第２アクチュエータ繊維とが、発生応力を許容できるひずみが等しく、ばね定数がアクチュエータ繊維長さに反比例する関係になる。これにより、より設計の容易なアクチュエータが得られる。
【００２８】
例えば、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は、ばね定数の異なる複数のアクチュエータ繊維を含み、前記ばね定数の異なる複数のアクチュエータ繊維ごとに、張力が作用する変位範囲が異なっていてもよい。
【００２９】
この構成によれば、複数の負荷ごとにアクチュエータの駆動効率のピークを設定できるので、より設計自由度の高いアクチュエータが得られる。
【００３０】
例えば、前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は、長さが異なるアクチュエータ繊維を含んでいてもよい。
【００３１】
この構成によれば、複数の第２アクチュエータ繊維が、アクチュエータ繊維の長さに反比例するばね定数をそれぞれ持つので、より設計の容易なアクチュエータが得られる。
【００３２】
例えば、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維のそれぞれのひずみを同一とする必要条件の一つは、前記変位量が前記第１変位量以上かつ前記最大変位量以下であってもよい。
【００３３】
この構成によれば、１または複数の第１アクチュエータ繊維および１または複数の第２アクチュエータ繊維のそれぞれのひずみが同一となる位置まで相対変位部を移動する場合に、各アクチュエータ繊維に作用する最大負荷が一定になるので、より信頼性の高いアクチュエータが得られる。
【００３４】
例えば、前記両端は第１端と第２端を含み、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は、前記中間線から前記第１端に向かって第１順、前記中間線から前記第２端に向かって前記第１順で配置されており、前記第１順は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維のばね定数の逆数が線形的に増加する、または、線形的に減少してもよい。
【００３５】
この構成によれば、広い負荷範囲にわたって駆動効率を向上させたアクチュエータが得られる。
【００３６】
例えば、前記両端は第１端と第２端を含み、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は、前記中間線から前記第１端に向かって第１順、前記中間線から前記第２端に向かって前記第１順で配置されており、前記第１順は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記１または複数の第２アクチュエータ繊維のばね定数の逆数が指数関数的に増加する、または、指数関数的に減少してもよい。
【００３７】
この構成によれば、広い負荷範囲にわたって駆動効率を向上させたアクチュエータが得られる。
【００３８】
例えば、前記両端は第１端を含み、前記中間線と前記第１端との間または前記第１端に位置する前記１または複数の第２アクチュエータ繊維は、少なくともｎ個（ｎ≧３、ｎは整数）のアクチュエータ繊維を含み、前記ｎ個のアクチュエータ繊維に含まれる任意の３つのアクチュエータ繊維に含まれる２つのアクチュエータ繊維の間に位置するアクチュエータ繊維のばね定数は、前記任意の３つのアクチュエータ繊維のうちの最大のばね定数よりも小さく、最小のばね定数よりも大きくてもよい。
【００３９】
この構成によれば、任意の３つのアクチュエータ繊維同士の温度差が小さくなるので、熱効率が高まり、より駆動効率を向上させたアクチュエータが得られる。
【００４０】
例えば、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維は一列に並んで配置され、前記並んで配置された前記第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維のうちの少なくとも一部の並びにおいて、前記並んで配置された方向の一方向または前記一方向とは反対の方向に沿って、前記第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維のばね定数の逆数が線形的に変化してもよい。
【００４１】
この構成によれば、広い負荷範囲にわたって駆動効率を向上させたアクチュエータが得られる。
【００４２】
例えば、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維は一列に並んで配置され、前記並んで配置された前記第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維のうちの少なくとも一部の並びにおいて、前記並んで配置された方向の一方向または前記一方向とは反対の方向に沿って、前記第１アクチュエータ繊維および前記ばね定数が異なる複数の第２アクチュエータ繊維のばね定数の逆数が指数関数的に変化してもよい。
【００４３】
この構成によれば、広い負荷範囲にわたって駆動効率を向上させたアクチュエータが得られる。
【００４４】
なお、これらの包括的かつ特定の態様は、システムとして実現してもよい。
【００４５】
以下、実施の形態にかかるアクチュエータについて、図面を参照しながら説明する。
【００４６】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、以下の実施の形態において、「接続される」とは、直接的に接続される場合、他の部材等を介して間接的に接続される場合が含まれる。
【００４７】
（実施の形態１）
＜アクチュエータの構成＞
図１は、実施の形態１にかかるアクチュエータ１ａの概略を示す図である。
【００４８】
アクチュエータ１ａは、第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３とを備えている。第１アクチュエータユニット２および第２アクチュエータユニット３は、ベース部の一例としての板状部材４ａと相対変位部の一例としての板状部材５ａとの間に位置している。
【００４９】
第１アクチュエータユニット２は、一列に並んで配置された同一ばね形状、同一長さの２本の第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂにより構成されている。第２アクチュエータユニット３は、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂとばね形状が同一で長さが１／５の８本の第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈにより構成されている。なお、同一ばね形状とは、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂおよび第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの各々の、コイル径と、ばねピッチと、後述する高分子繊維体の線径とが同じであることを示す。
【００５０】
第２アクチュエータユニット３は、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの５倍のばね定数を持った第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈを４倍の本数備えることから、第２アクチュエータユニット３のばね定数は、第１アクチュエータユニット２のばね定数の２０倍となる。また、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈは、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの長さの１／５の長さであることから、アクチュエータ１ａの使用時において、第２アクチュエータユニット３の最大変位量は、第１アクチュエータユニット２の最大変位量の１／５となる。
【００５１】
なお、第１アクチュエータユニット２は、複数のアクチュエータ繊維に限られず、１のアクチュエータ繊維により構成されていてもよい。第２アクチュエータユニット３は、複数のアクチュエータ繊維に限られず、１のアクチュエータ繊維により構成されていてもよい。
【００５２】
第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂおよび第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈは、それぞれ、１または複数の高分子繊維（例えば、ナイロン繊維）が捩られて形成された高分子繊維体が螺旋状に巻回されたコイル状の構造をしている。これら第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂおよび第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈは、表面に銀めっきが施されており、通電することで抵抗加熱（通電加熱）され、通電加熱された際の温度変化に伴って伸縮する。本実施の形態では、高分子繊維体の捩り方向と螺旋の巻回方向とが同じ方向であり、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂおよび第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈに熱を加えることで、それぞれのアクチュエータ繊維の全長が収縮するように構成されている。なお、アクチュエータ繊維の単体の構成については、後で詳しく説明する。
【００５３】
第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂは、板状部材４ａに対して、それぞれ接続部材６ａ、６ｂを介して一端を接続されている。同様に、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈは、板状部材４ａに対して、それぞれ接続部材８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈを介して一端を接続されている。
【００５４】
また、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂは、板状部材５ａに対して、それぞれ接続部材７ａ、７ｂを介して他端を接続されている。第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの他端には、接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈの一端が接続されている。
【００５５】
接続部材６ａ、６ｂ、接続部材７ａ、７ｂ、接続部材８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ、接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈは、一例としてそれぞれ線状の素材で構成されている。この構成によれば、アクチュエータ１ａに曲げに対する柔軟性を持たせることができる。素材としては、高分子繊維、炭素繊維、金属ワイヤ等が利用可能である。高分子繊維、炭素繊維は、軽量である。金属ワイヤとしては、超弾性合金のように曲げに対する柔軟性がある素材であってもよい。
【００５６】
板状部材５ａには、図１の上下方向に貫通孔が設けられており、その貫通孔に、接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈが挿通されている。板状部材５ａは、それぞれの接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈに対して上下方向に摺動可能となっている。接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈの他端には、それぞれ導電性を備えた終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈが接続されている。第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂに接続された板状部材５ａが、図１の下方向に移動し、終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈに接触することで、接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈを介して第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈにも張力が作用する。
【００５７】
アクチュエータ１ａは制御部１１ａにより駆動される。より具体的な一例として、制御部１１ａには、電源１２ａと、コントローラ１３ａ（第１制御器１３ａ１および第２制御器１３ａ２を含む）と、スイッチ１５ａ、１５ｂとが備えられている。第１制御器１３ａ１は、スイッチ１５ａをオンオフすることで配線１４ａと電源１２ａとの接続状態を切り替え、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの通電を制御する。第２制御器１３ａ２は、スイッチ１５ｂをオンオフすることで配線１４ｂと電源１２ａとの接続状態を切り替え、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの通電を制御する。配線１４ａは、板状部材４ａに形成された第１電極部、および、接続部材６ａ、６ｂを介して、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂのそれぞれに電気的に接続されている。同様に、配線１４ｂは、板状部材４ａに形成された第２電極部、および、接続部材８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈを介して、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈのそれぞれに電気的に接続されている。板状部材４ａにおいて、第１電極部と第２電極部とは互いに導通しないように構成されている。また、電源１２ａとスイッチ１５ａとの間、電源１２ａとスイッチ１５ｂとの間には、電圧変換器（図示省略）がそれぞれ設けられている。これらの電圧変換器で、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂ、および、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈに印加する電圧を、互いに異なる電圧としている。
【００５８】
接続部材６ａ、６ｂ、接続部材８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈが導電性を有する素材の場合、そのまま配線として利用することができる。接続部材６ａ、６ｂ、接続部材８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈが導電性を有しない素材の場合、表面に金属めっきをしたり、導電性の素材を表面に沿わせたりなどして、配線１４ａと第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂとの電気的接続、または、配線１４ｂと第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈとの電気的接続を確保しても良い。なお、本実施の形態では板状部材４ａ、接続部材６ａ、６ｂ、接続部材８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈを介して電源１２ａと第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂ、または、電源１２ａと第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈとを電気的に接続しているが、これに限るものではなく、配線１４ａと第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂ、または、配線１４ｂと第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈとを直接接続する構成としても良い。
【００５９】
また、電源１２ａには配線１４ｃが接続されている。配線１４ｃは板状部材５ａに接続されている。配線１４ｃは、板状部材５ａに形成された第３電極部、接続部材７ａ、７ｂを介して第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂのそれぞれに電気的に接続されている。また配線１４ｃは、板状部材５ａに形成された第４電極部、終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈを介して、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈのそれぞれに電気的に接続されている。板状部材５ａの下面（図１における下側の面）に配線１４ｃと電気的に接続された第４電極部を設けることで、終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈが板状部材５ａと接触している場合に、両者（配線１４ｃと終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ）の間に電気的接続が成される。
【００６０】
接続部材７ａ、７ｂ、接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈが導電性を有する素材の場合、そのまま配線として利用することができる。接続部材７ａ、７ｂ、接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈが導電性を有しない素材の場合、表面に金属めっきをしたり、導電性の素材を表面に沿わせたりなどして、配線１４ｃと第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂとの電気的接続、または、配線１４ｃと第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈとの電気的接続を確保しても良い。ただし、接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈと板状部材５ａとの間（例えば、板状部材５ａの貫通孔内）には絶縁処理が施されており、接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈがそれぞれ終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈを介さずに配線１４ｃと電気的に接続しないように構成されている。
【００６１】
次に、このアクチュエータ１ａの作用を説明する。
【００６２】
図１に示すアクチュエータ１ａにおいて、板状部材４ａは固定され、板状部材５ａは図１の下方向に負荷が加えられた状態で図１の上下方向に自由に移動できるように構成されている。負荷が小さい範囲では、負荷は第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂによって支えられ、板状部材５ａと終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈとは接触しない。負荷が一定以上大きくなると、負荷は第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂでは支えられなくなり、板状部材５ａと終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈとが接触する。これにより、負荷は第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂおよび第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈによって支えられる。なお、本実施の形態では、板状部材５ａに終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈが接触または離間するときの、板状部材５ａの板状部材４ａに対する変位量を第１変位量と呼ぶ。また、負荷が最大のときの、板状部材５ａの板状部材４ａに対する変位量を最大変位量と呼ぶ。
【００６３】
アクチュエータ１ａを動作させる場合、制御部１１ａのコントローラ１３ａによってスイッチ１５ａ、１５ｂを短絡または開放するようにそれぞれ制御する。板状部材５ａの板状部材４ａに対する変位量が第１変位量未満である場合には、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂが通電加熱され、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂに上方（図１における上方）への収縮力が発生する。一方で、板状部材５ａの板状部材４ａに対する変位量が第１変位量以上最大変位量以下である場合には、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂに加えて、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈも通電加熱され、全てのアクチュエータ繊維に上方への収縮力が発生する。
【００６４】
本実施の形態にかかるアクチュエータ１ａでは、板状部材５ａの板状部材４ａに対する変位量が第１変位量未満の場合は、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂへの通電により第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの温度が制御され、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの温度は制御されず、第１アクチュエータユニット２で負荷を保持する状態となる。一方、板状部材５ａの板状部材４ａに対する変位量が第１変位量以上かつ最大変位量以下の場合は、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの通電により第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの温度が制御され、かつ、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの通電により第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの温度が制御され、第１アクチュエータユニット２および第２アクチュエータユニット３の両方で負荷を保持する状態となる。
【００６５】
＜アクチュエータ繊維の構成＞
次に、アクチュエータ繊維の構成について詳しく説明する。図１６は、単体であるアクチュエータ繊維２１の概略を示す図である。アクチュエータ繊維２１としては、サイズ及び／または形状等に違いはあるが同様の構成のものが、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂ、および第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈとして用いられている。アクチュエータ繊維２１には、その両端に取付部２２ａ、２２ｂが設けられており、アクチュエータ繊維２１の伸縮に伴って、取付部２２ａ、２２ｂの距離が変化する。アクチュエータ繊維２１は、複数の高分子繊維を加撚するとともに捩りを加えて形成した高分子繊維体を、仮想軸を中心に螺旋状に巻回したものである。高分子繊維体は、複数本の高分子繊維を束ねたものであるが、それに限られず、１本の高分子繊維を捩ることで構成されていてもよい。高分子繊維体の素材としては、例えばナイロンやポリエチレンが用いられる。これらの素材は、発生変位を大きくできる。他の高分子素材を用いても良い。また、高分子繊維としては、例えば直径０．１３ｍｍの繊維が用いられる。このサイズは、コイル形状に加工しても外径が１ｍｍ未満のアクチュエータ繊維２１となり、布状に構成しやすくなる。しかしこれに限るものではなく、１本あたりの発生力を増加させるために、より太いアクチュエータ繊維を用いたり、より薄い布にできるようより細いアクチュエータ繊維を用いたりしても良い。
【００６６】
図１６は、アクチュエータ繊維の概略を示す図である。図１６の（ａ）に示す状態にあるアクチュエータ繊維２１が加熱されて温度上昇すると、捩られた高分子繊維体は撚りが解消される方向（捩りが戻る方向）に捩り動作する。この動作がコイル形状（アクチュエータ繊維２１内）の各部で発生することで、コイルの螺旋角度が変化し、図１６の（ｂ）に示すようにアクチュエータ繊維２１がΔＬの収縮動作をする。自然放熱などによりアクチュエータ繊維２１の温度が低下すると、高分子繊維体の捩り状態は元の状態に戻り、再び図１６の（ａ）に示す状態に伸長する。このようなアクチュエータは、軽量かつ柔軟で、質量当たりの出力が大きいアクチュエータとなる。アクチュエータ繊維２１の温度を変化させる方法としては、アクチュエータ繊維２１の周辺にある気体及び/または液体の温度を変化させる方法や、発熱体を接触させる方法などもあるが、高分子繊維の表面に銀などをめっきすることで導電性を持たせ、そこに電気を流して通電加熱する方法が、取り扱いが容易である。通電加熱によるアクチュエータ繊維２１の温度調節は、印加する電圧及び/または電流を調節したり、ＰＷＭ駆動のように通電する時間と通電しない時間の比率を調節したりすることで行うことができる。
【００６７】
図１７は、アクチュエータ繊維２１に異なる負荷を加えた際の動作の概略を示す図である。アクチュエータ繊維２１は、コイルばねとしての特性と駆動力を発生するアクチュエータとしての特性を併せ持っている。図１７の（ａ）に示す自然長Ｌのアクチュエータ繊維２１に対して、取付部２２ａを固定し、取付部２２ｂに図１７の下方にＰ１の負荷を加えた時、アクチュエータ繊維２１は図１７の（ｂ）に示す状態になる。このときのアクチュエータ繊維２１の長さＬ１は、アクチュエータ繊維２１のコイルばねとしてのばね定数をｋとすると、Ｌ１＝Ｌ＋Ｐ１／ｋと表される。この状態からアクチュエータ繊維２１の温度を上昇させると、アクチュエータ繊維２１は駆動力を発生し、負荷Ｐ１に抗って図１７の上方にΔＬの変位をする。このときのアクチュエータ繊維２１の発生力Ｆａは、Ｆａ＝ｋΔＬであり、アクチュエータ繊維２１の温度変化の関数になる。したがって、アクチュエータ繊維２１の温度変化を調節することで発生力Ｆａおよびそれにより発生されるΔＬを調節できる。また、アクチュエータ繊維２１における温度変化とΔＬの関係において非線形性は小さく、線形で近似することが可能である。
【００６８】
一方で、取付部２２ｂに図１７の下方にＰ２（＞Ｐ１）の負荷を加えた時、アクチュエータ繊維２１は図１７の（ｃ）に示す状態になる。このときのアクチュエータ繊維２１の長さＬ２は、Ｌ２＝Ｌ＋Ｐ２／ｋと表される。この状態からアクチュエータ繊維２１の温度を上昇させると、アクチュエータ繊維２１は負荷Ｐ２に抗って、図１７の（ｂ）に示す時と同様に図１７の上方にΔＬの変位をする。このときのアクチュエータ繊維２１の発生力Ｆａも、Ｆａ＝ｋΔＬとなる。このように、アクチュエータ繊維２１が発生する変位は、負荷にはあまり影響されず、温度変化に大きく依存する特性になっている。このため、発生力Ｆａすなわち変位ΔＬを発生させるために必要な熱エネルギーをＷとすると、投入した熱エネルギーに対する仕事の割合である駆動効率η＝ＰΔＬ／Ｗは、負荷Ｐが大きいほど高くなる（駆動効率ηは、負荷Ｐが小さいほど低くなる）。負荷Ｐの上限は、アクチュエータ繊維２１の材料特性に依存するので、繰り返し寿命が仕様に収まる範囲において、最大限負荷を増加させることが駆動効率向上には重要となる。
【００６９】
ここで、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ａの効果を説明する前に、アクチュエータの比較例について説明する。
【００７０】
＜比較例１＞
図１８は、アクチュエータ繊維を用いた比較例１のアクチュエータ３１ａの概略を示す図である。アクチュエータ３１ａは、アクチュエータ繊維３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３２ｉ、３２ｊを並列に備えている。アクチュエータ繊維３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３２ｉ、３２ｊは、それぞれがナイロン繊維を捩って、その後、コイル状に巻回したもので、表面に銀めっきが施されており、通電することで抵抗加熱される。
【００７１】
アクチュエータ繊維３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３２ｉ、３２ｊは、板状部材４ｄに対して、それぞれ接続部材３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ、３３ｆ、３３ｇ、３３ｈ、３３ｉ、３３ｊを介して一端を接続されている。また、アクチュエータ繊維３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３２ｉ、３２ｊは、板状部材５ｄに対して、それぞれ接続部材３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇ、３４ｈ、３４ｉ、３４ｊを介して他端を接続されている。接続部材３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ、３３ｆ、３３ｇ、３３ｈ、３３ｉ、３３ｊ、および、接続部材３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇ、３４ｈ、３４ｉ、３４ｊは、導電性を備えた繊維状の部材である。
【００７２】
アクチュエータ３１ａは制御部１１ｄにより駆動される。制御部１１ｄには、電源１２ｄと、コントローラ１３ｄと、スイッチ１５ｌが備えられている。スイッチ１５ｌは、配線１４ｏと電源１２ｄとの接続状態を切り替える。配線１４ｏは、板状部材４ｄ、接続部材３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ、３３ｆ、３３ｇ、３３ｈ、３３ｉ、３３ｊを介して、それぞれアクチュエータ繊維３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３２ｉ、３２ｊと電気的に接続されている。また、電源１２ｄには配線１４ｐが接続されている。配線１４ｐは板状部材５ｄに接続されている。配線１４ｐは、板状部材５ｄ、接続部材３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇ、３４ｈ、３４ｉ、３４ｊを介して、それぞれアクチュエータ繊維３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３２ｉ、３２ｊと電気的に接続されている。
【００７３】
次に、比較例１のアクチュエータ３１ａの作用を説明する。
【００７４】
図１８のアクチュエータ３１ａにおいて、板状部材４ｄは固定され、板状部材５ｄは図１８の下方向に負荷が加えられた状態で図１８の上下方向に自由に移動できる。アクチュエータ３１ａが動作する場合、コントローラ１３ｄによってスイッチ１５ｌが接続される。このとき、アクチュエータ繊維３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３２ｉ、３２ｊが通電加熱され、アクチュエータ３１ａには、板状部材５ｄに対する図１８の上方への収縮力が発生する。
【００７５】
図１９は、比較例１のアクチュエータ３１ａに種々の負荷を加えた際の概略を示す図である。板状部材５ｄに負荷が加わらず、アクチュエータ繊維が自然長Ｌ（例えば２０ｃｍ）の状態にあるのが図１９の（ａ）である。以下、負荷を徐々に増加させていき、板状部材５ｄがＤ（例えば２６ｃｍ）の変位をする負荷Ｆ（例えば８Ｎ）を加えた状態が、図１９の（ｆ）である。これらのアクチュエータにΔＬ（例えば３ｃｍ）の変位を発生させるのに必要な温度変化をΔＴ（例えば１００℃）、温度変化に必要な投入エネルギーをＪ（例えば２４Ｊ）とし、駆動効率ηをη＝ＦΔＬ／Ｊ（例えば１％）とおく。図２０は、図１９の各状態における比較例１のアクチュエータ３１ａの駆動効率を示す表である。ただし、ここを含めた以降の説明では、説明を簡単にするために、アクチュエータ繊維の発生力は温度変化に比例し、アクチュエータ繊維の温度変化は投入エネルギーに比例し且つアクチュエータ繊維の体積に反比例するものとする。
【００７６】
図２０の（ａ）〜（ｆ）は、順に、負荷を０．２Ｆずつ増加させたときの状態を示している。板状部材５ｄの変位量は、アクチュエータ繊維のばね定数が一定なので、負荷の増加につれて０．２Ｄずつ増加している。一方で、それぞれの状態から板状部材５ｄを図１９の上方にΔＬの変位をさせるのに必要な温度変化は、負荷にかかわらずΔＴで一定である。したがって、投入エネルギーもＪで一定となる。以上の結果から、アクチュエータ３１ａの駆動効率は、負荷が変化しても変位と投入エネルギーが一定なので、負荷に応じて０．２ηずつ増加していく。アクチュエータ３１ａは、負荷が最大となる図２０の（ｆ）において最大の駆動効率ηを実現できるが、負荷が小さくなるほど駆動効率が低下していく特性となる。
【００７７】
＜比較例２＞
図２１は、アクチュエータ繊維を用いた別の構成の比較例２のアクチュエータ３１ｂの概略を示す図である。図１８の構成と異なるのは、ばね形状が同一で長さが５倍のアクチュエータ繊維を用いて、より柔軟で変位しやすい構成にしていることである。アクチュエータ３１ｂは、アクチュエータ繊維３２ｋ、３２ｌ、３２ｍ、３２ｎ、３２ｏ、３２ｐ、３２ｑ、３２ｒ、３２ｓ、３２ｔを並列に備えている。アクチュエータ繊維３２ｋ、３２ｌ、３２ｍ、３２ｎ、３２ｏ、３２ｐ、３２ｑ、３２ｒ、３２ｓ、３２ｔは、それぞれがナイロン繊維を捩って、その後、コイル状に巻回したもので、表面に銀めっきが施されており、通電することで抵抗加熱される。
【００７８】
アクチュエータ繊維３２ｋ、３２ｌ、３２ｍ、３２ｎ、３２ｏ、３２ｐ、３２ｑ、３２ｒ、３２ｓ、３２ｔは、板状部材４ｅに対して、それぞれ接続部材３３ｋ、３３ｌ、３３ｍ、３３ｎ、３３ｏ、３３ｐ、３３ｑ、３３ｒ、３３ｓ、３３ｔを介して一端を接続されている。また、アクチュエータ繊維３２ｋ、３２ｌ、３２ｍ、３２ｎ、３２ｏ、３２ｐ、３２ｑ、３２ｒ、３２ｓ、３２ｔは、板状部材５ｅに対して、それぞれ接続部材３４ｋ、３４ｌ、３４ｍ、３４ｎ、３４ｏ、３４ｐ、３４ｑ、３４ｒ、３４ｓ、３４ｔを介して他端を接続されている。接続部材３３ｋ、３３ｌ、３３ｍ、３３ｎ、３３ｏ、３３ｐ、３３ｑ、３３ｒ、３３ｓ、３３ｔ、および、接続部材３４ｋ、３４ｌ、３４ｍ、３４ｎ、３４ｏ、３４ｐ、３４ｑ、３４ｒ、３４ｓ、３４ｔは、導電性を備えた繊維状の部材である。
【００７９】
アクチュエータ３１ｂは制御部１１ｅにより駆動される。制御部１１ｅには、電源１２ｅと、コントローラ１３ｅと、スイッチ１５ｍが備えられている。スイッチ１５ｍは、配線１４ｑと電源１２ｅとの接続状態を切り替える。配線１４ｑは、板状部材４ｅ、接続部材３３ｋ、３３ｌ、３３ｍ、３３ｎ、３３ｏ、３３ｐ、３３ｑ、３３ｒ、３３ｓ、３３ｔを介して、それぞれアクチュエータ繊維３２ｋ、３２ｌ、３２ｍ、３２ｎ、３２ｏ、３２ｐ、３２ｑ、３２ｒ、３２ｓ、３２ｔと電気的に接続されている。また、電源１２ｅには配線１４ｒが接続されている。配線１４ｒは板状部材５ｅに接続されている。配線１４ｒは、板状部材５ｅ、接続部材３４ｋ、３４ｌ、３４ｍ、３４ｎ、３４ｏ、３４ｐ、３４ｑ、３４ｒ、３４ｓ、３４ｔを介して、それぞれアクチュエータ繊維３２ｋ、３２ｌ、３２ｍ、３２ｎ、３２ｏ、３２ｐ、３２ｑ、３２ｒ、３２ｓ、３２ｔと電気的に接続されている。
【００８０】
次に、比較例２のアクチュエータ３１ｂの作用を説明する。
【００８１】
図２１のアクチュエータ３１ｂにおいて、板状部材４ｅは固定され、板状部材５ｅは図２１の下方向に負荷が加えられた状態で図２１の上下方向に自由に移動できるようになっている。アクチュエータ３１ｂが動作する場合、コントローラ１３ｅによってスイッチ１５ｍが接続される。このとき、アクチュエータ繊維３２ｋ、３２ｌ、３２ｍ、３２ｎ、３２ｏ、３２ｐ、３２ｑ、３２ｒ、３２ｓ、３２ｔが通電加熱され、アクチュエータ３１ｂには、板状部材５ｅに対する図２１の上方への収縮力が発生する。
【００８２】
図２２は、比較例２のアクチュエータ３１ｂに種々の負荷を加えた際の概略を示す図である。板状部材５ｅに負荷が加わらず、アクチュエータ繊維が自然長５Ｌの状態にあるのが図２２の（ａ）である。以下、負荷を徐々に増加させていき、板状部材５ｅが５Ｄの変位をする負荷Ｆを加えた状態が、図２２の（ｆ）である。図１８のアクチュエータ３１ａに比べるとアクチュエータ繊維の長さが５倍になっているので、同じ負荷Ｆに対して変位は５倍になっている。これらのアクチュエータにΔＬの変位を発生させるのに必要な温度変化は、アクチュエータ繊維が発生するひずみが１／５ですむので、０．２ΔＴになる。しかし、アクチュエータ繊維の体積が５倍になるため、温度変化に必要な投入エネルギーは結局Ｊとなる。
【００８３】
図２３は、図２２の各状態における比較例２のアクチュエータ３１ｂの駆動効率を示す表である。図２３の（ａ）〜（ｆ）は、順に、負荷を０．２Ｆずつ増加させたときの状態を示している。板状部材５ｅの変位量は、アクチュエータ繊維のばね定数が一定なので、負荷の増加につれてＤずつ増加している。一方で、それぞれの状態から板状部材５ｅを図２２の上方にΔＬの変位をさせるのに必要な温度変化は、負荷にかかわらず０．２ΔＴで一定である。したがって、投入エネルギーもＪで一定となる。結局、変位ΔＬを発生させるために必要な投入エネルギーは、放熱による熱損失の違いなどを無視すれば、アクチュエータ繊維の長さが変化しても一定となる。以上の結果から、アクチュエータ３１ｂの駆動効率は、負荷が変化しても変位と投入エネルギーが一定なので、負荷に応じて０．２ηずつ増加していく。アクチュエータ３１ｂは、アクチュエータ３１ａと同様に、負荷が最大となる図２３の（ｆ）において最大の駆動効率ηを実現できるが、負荷が小さくなるほど駆動効率が低下していく特性となる。
【００８４】
＜アクチュエータの効果＞
次に、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ａの効果を説明する。
【００８５】
図２は、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ａに種々の負荷を加えた際の概略を示す図である。アクチュエータ１ａにおいて、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの自然長は５Ｌ、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの自然長はＬである。また、板状部材５ａが板状部材４ａに対して４Ｄの変位をした時（変位量４Ｄのとき）に終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈと板状部材５ａとが接触するよう配置されている。なお、本実施の形態の説明に用いるＬ、Ｄ、Ｆ、Ｔ、Ｊ、ηの記号は、比較例１において使用したものと同じ値とする。
【００８６】
図２の（ａ）は、板状部材５ａに負荷が加わらず、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂ、および、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈが自然長となる状態を示している。図２の（ｂ）は、板状部材５ａが板状部材４ａに対して４Ｄの変位をし、板状部材５ａと終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈとが接触する直前の状態を示している。この状態における負荷の大きさは、１／５の本数の第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂで図２２の（ｅ）に示す状態を実現する負荷と等しいので、０．１６Ｆになる。図２の（ｃ）は、板状部材５ａが板状部材４ａに対して５Ｄの変位をし、板状部材５ａと終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈとが接触している状態を示している。この状態における負荷の大きさは、１／５の本数の第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂで図２２の（ｆ）に示す状態を実現する負荷と、４／５の本数の第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈで図１９の（ｆ）に示す状態を実現する負荷との和に等しいので、Ｆになる。この状態では、自然長５Ｌの第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂは５Ｄの変位をし、自然長Ｌの第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈはＤの変位をしており、全てのアクチュエータ繊維のひずみと張力は等しくなっている。なお、本実施の形態では、板状部材５ａの板状部材４ａに対する最大変位量は、変位量５Ｄである。また、板状部材５ａの板状部材４ａに対する変位量が第１変位量以上最大変位量以下となる場合は、変位量４Ｄ以上変位量５Ｄ以下の変位範囲である。
【００８７】
図３は、図２の各状態におけるアクチュエータ１ａの駆動効率を示す表である。これらのアクチュエータにΔＬの変位を発生させるのに必要な温度変化は、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂにおいては０．２ΔＴ、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈにおいてはΔＴとなる。したがって、図２の（ｂ）に示す状態での投入エネルギーは、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂを加熱すればよいので、０．２Ｊにとどまる。図２の（ｃ）に示す状態での投入エネルギーは、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂ、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈをそれぞれ加熱することになるので、Ｊとなる。以上のことから駆動効率を求めると、図２の（ｂ）に示す状態では０．８ηとなり、比較例１で同じ負荷を作用させた場合の５倍となる。図２の（ｃ）に示す状態ではηとなり、比較例１で同じ負荷を作用させた場合と等しくなる。
【００８８】
図４は、アクチュエータ１ａにおける負荷と変位量の関係を示す図である。ここで比較例（Ｌ）とは、アクチュエータ素子の自然長がＬとなる図１９、図２０で示した比較例の結果である。また比較例（５Ｌ）とは、アクチュエータ素子の自然長が５Ｌとなる図２２、図２３で示した比較例の結果である。比較例における変位量は、負荷に比例して増加する特性になるが、一方で、本実施の形態のアクチュエータ１ａでは、負荷が０．１６Ｆになるまでは第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂで負荷を支え、その後、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂ、および、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈで負荷を支えることから、図４に示されるような非線形なばね特性を示すことになる。図４における（ｂ）に示す位置は、図２および図３における（ｂ）に示す状態に対応している。
【００８９】
図５は、アクチュエータ１ａにおける負荷と駆動効率の関係を示す図である。図５により、負荷が０．１６Ｆとなる図５の（ｂ）までの間で、比較例に比べて駆動効率を向上できることがわかる。図５に示すような特性は、通常は０．１６Ｆまでの負荷で駆動させ、安全上、通常の負荷より大きい負荷Ｆまで耐えられるようにする場合に特に効果がある。
【００９０】
以上より、本実施の形態によれば、板状部材５ａに作用する負荷が、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂおよび第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの双方に張力を作用させることで許容される最大負荷に比べて小さく、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの張力で保持できる場合には、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの温度を変化させることで板状部材５ａを変位させることができる。この場合、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂおよび第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの双方に張力が作用する負荷を駆動する場合に必要な熱エネルギーと比べて、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの温度を変化させるのに必要な熱エネルギー分が削減できる。これにより、低負荷時における駆動効率が低下する比較例のアクチュエータに比べ、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ａは、低負荷時における駆動効率を高めることができる。よって、許容最大負荷に比べて低い負荷で駆動する場合における駆動効率を改善するアクチュエータ１ａが得られる。
【００９１】
なお、本実施の形態では、板状部材５ａが変位し、終端部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈと接触することで通電が可能になるように構成されているので、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈに張力が作用する状態で、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈが通電加熱されて温度が変化する。このようにすることは、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂで支えられる負荷の場合に無駄に第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの温度を変化させてエネルギーを消費する必要がなくなるので、より駆動効率を改善できる。しかし、この構成に限るものではなく、接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈと板状部材５ａとを接続部材９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈに作用する張力で機械的にオン、オフされるスイッチを介して接続したり、ひずみセンサ等で第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈに作用する張力を測定して、その情報を基にコントローラ１３ａがスイッチ１５ｂをオン、オフしても同様に実施可能である。また、張力を直接測定せず、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈに張力が作用すると推定される板状部材５ａの変位範囲において、コントローラ１３ａがスイッチ１５ｂをオン、オフしてもよい。
【００９２】
なお、本実施の形態では、板状部材４ａに対する板状部材５ａの変位量が第１変位量以上かつ最大変位量以下の場合は、第１制御器１３ａ１と第２制御器１３ａ２を用いて、第１アクチュエータユニット２の変位量から第１変位量を引いた量と、第２アクチュエータユニット３の変位量とが等しくなるように制御している。具体的には、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂと第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈとの温度を変化させるとき、いずれもΔＬ変位するよう温度を変化させている。これは、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂ、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの間での負荷のバラツキを最小化でき、特定のアクチュエータ繊維の寿命が短くなる等の問題を回避できる。
【００９３】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータユニット２を一列に並べて配置した第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂで構成し、第２アクチュエータユニット３を一列に並べて配置した第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈで構成している。このように、一列に並べて配置した複数のアクチュエータ繊維で負荷を保持する場合、アクチュエータ繊維１本当たりの太さを細くすることができ、より薄型なアクチュエータ１ａが得られる。しかし、これに限るものではなく、第１アクチュエータユニット２、または、第２アクチュエータユニット３をそれぞれ１本のアクチュエータ繊維で構成したり、本実施の形態とは異なる本数のアクチュエータ繊維を一列に並べて配置した構成としてもよい。コイルばねのばね定数は、同じ長さで相似形状の場合、アクチュエータ繊維の繊維径（高分子繊維体をその中心軸に対して垂直方向に切断した場合の直径）の自乗に比例すると考えられるので、例えば、２本の第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂで構成される第１アクチュエータユニット２は、アクチュエータ繊維の繊維径を√２倍にすることで、１本のアクチュエータ繊維で置き換えることができる。同様に、８本の第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈで構成される第２アクチュエータユニット３は、アクチュエータ繊維の繊維径を２√２倍にすることで、１本のアクチュエータ繊維で置き換えることができる。このように、繊維径を変化させることで、第１アクチュエータユニット２または第２アクチュエータユニット３を構成するアクチュエータ繊維の本数を任意に変化させることができる。
【００９４】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂと第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈとが、左右対称に一列に並んで配置されている。すなわち、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂおよび第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの配置が、列の両端に位置する２つのアクチュエータ繊維３ａ、３ｈの中間線を基準として線対称である。このようにすることは、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂを用いて板状部材５ａを移動させたり、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂおよび第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈを用いて板状部材５ａを移動する際に、板状部材５ａにモーメントが発生しない。
【００９５】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂと第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈとを、ばね形状が同じで長さが異なるように構成している。すなわち、アクチュエータ１ａは、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの各々が、第１コイル径と、第１ばねピッチと、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの高分子繊維体の線径である第１線径とを含む第１ばね形状を有し、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの各々は、第１コイル径と等しい第２コイル径と、第１ばねピッチと等しい第２ばねピッチと、第１線径と等しい第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの高分子繊維体の線径である第２線径とを含む第２ばね形状を有している。かつ、アクチュエータ１ａは、第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの各々の長さと、第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの各々の長さとが異なっている。これにより、第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３とを構成するアクチュエータ繊維は、発生応力や許容できるひずみが等しく、ばね定数がアクチュエータ繊維の長さに反比例する関係になる。よって、アクチュエータ繊維の長さと本数とを調節することで、第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３とのばね定数の比率を容易に目標の値にすることが可能になる。また、最大負荷において、第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３との両方が許容できる最大ひずみになるよう設計することも容易になるので、全てのアクチュエータ繊維の能力を最大限発揮できる。
【００９６】
なお、本実施の形態では、アクチュエータ繊維の素材としてナイロンを使用しているが、これに限るものではなく、ポリエチレン、ＰＶＤＦ、ポリエステル、ケプラー等各種の高分子素材が利用可能である。
【００９７】
なお、本実施の形態では、アクチュエータ繊維の表面に銀めっきを施して通電加熱することによりアクチュエータ繊維の温度を変化させているが、これは取り扱いが容易である。しかし、これに限るものではなく、銀以外の導電性物質をめっきしたり、高分子素材の内部に導電性素材を含有させてアクチュエータ繊維に導電性を持たせたり、アクチュエータ繊維の外周に導電性素材を巻き付けたりして、通電加熱してもよい。また、アクチュエータ繊維周辺の気体の温度を変化させたり、アクチュエータ繊維に接触させる液体の温度を変化させたりなどして、アクチュエータ繊維の温度を変化させてもよい。また、アクチュエータ繊維の表面に導電性を持たせる場合、隣接するアクチュエータ繊維との電気的接触を防止するために表面を絶縁コーティングしてもよい。
【００９８】
なお、本実施の形態における第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂと第２アクチュエータ繊維３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈとのばね定数の比率は、あくまで一例であり、アクチュエータ１ａの使用状況に応じて、駆動効率がいずれの負荷において図５の（ｂ）に示すような極大値になるかを自由に設計することができる。いずれにおいても、許容最大負荷に比べて低い負荷で駆動する場合における駆動効率を改善することが可能になる。
【００９９】
（実施の形態２）
＜アクチュエータの構成＞
図６は、実施の形態２にかかるアクチュエータ１ｂの概略を示す図である。
【０１００】
アクチュエータ１ｂは、第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３とを備えている。第１アクチュエータユニット２および第２アクチュエータユニット３は、ベース部の一例としての板状部材４ｂと相対変位部の一例としての板状部材５ｂとの間に位置している。
【０１０１】
第１アクチュエータユニット２は、一列に並んで配置された同一ばね形状、同一長さの２本の第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄにより構成されている。第２アクチュエータユニット３は、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄとばね形状が同一で長さが１／５の２本の第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐと、ばね形状が同一で長さが２／５の２本の第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏと、ばね形状が同一で長さが３／５の２本の第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎと、ばね形状が同一で長さが４／５の２本の第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍとで構成されている。第２アクチュエータユニット３を構成する第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐ、第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏ、第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎ、および、第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍは、それぞればね定数が異なる。なお、同一ばね形状とは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの各々の、コイル径と、ばねピッチと、後述する高分子繊維体の線径とが同じであることを示す。
【０１０２】
第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの１／５の長さを備えることから、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐのばね定数は、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄのばね定数の５倍となる。また、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの１／５の長さを備えることから、アクチュエータ１ｂの使用時において、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐの最大変位量は、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの最大変位量の１／５となる。同様に、第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏ、第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎ、第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍのばね定数は、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄのばね定数のそれぞれ２．５倍、５／３倍、１．２５倍となる。また、第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏ、第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎ、第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍの最大変位量は、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの最大変位量のそれぞれ２／５、３／５、４／５となる。
【０１０３】
第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄ、および、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐは、それぞれ、１または複数の高分子繊維（例えば、ナイロン繊維）が捩られて形成された高分子繊維体が螺旋状に巻回されたコイル状の構造をしている。これらの第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐは、表面に銀めっきが施されており、通電することで抵抗加熱（通電加熱）され、通電加熱された際の温度変化に伴って伸縮する。本実施の形態では、高分子繊維体の捩り方向と螺旋の巻回方向とが同じ方向であり、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐに熱を加えることで、アクチュエータ繊維の全長が収縮するように構成されている。
【０１０４】
第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄは、板状部材４ｂに対して、それぞれ接続部材６ｃ、６ｄを介して一端を接続されている。同様に、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐは、板状部材４ｂに対して、それぞれ接続部材８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎ、８ｏ、８ｐを介して一端を接続されている。
【０１０５】
また、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄは、板状部材５ｂに対して、それぞれ接続部材７ｃ、７ｄを介して他端を接続されている。第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの他端には、接続部材９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐの一端が接続されている。
【０１０６】
接続部材６ｃ、６ｄ、接続部材７ｃ、７ｄ、接続部材８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎ、８ｏ、８ｐ、接続部材９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐは、一例としてそれぞれ線状の素材で構成されている。この構成によれば、アクチュエータ１ｂに曲げに対する柔軟性を持たせることができる。素材としては、高分子繊維、炭素繊維、金属ワイヤ等が利用可能である。高分子繊維、炭素繊維は、軽量である。金属ワイヤとしては、超弾性合金のように曲げに対する柔軟性がある素材を用いてもよい。
【０１０７】
板状部材５ｂには、図６の上下方向に貫通孔が設けられており、その貫通孔に、接続部材９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐが挿通されている。板状部材５ｂは、それぞれの接続部材９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐに対して上下方向に摺動可能となっている。接続部材９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐの他端には、それぞれ導電性を備えた終端部材１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐが接続されている。第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄに接続された板状部材５ｂが、図６の下方向に移動し、順次、終端部材１０ｌおよび１０ｍ、終端部材１０ｋおよび１０ｎ、終端部材１０ｊおよび１０ｏ、終端部材１０ｉおよび１０ｐに接触することで、接続部材９ｌ、９ｍを介して第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍに、接続部材９ｋ、９ｎを介して第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎに、接続部材９ｊ、９ｏを介して第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏに、接続部材９ｉ、９ｐを介して第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐに、それぞれ張力が作用する。
【０１０８】
アクチュエータ１ｂは制御部１１ｂにより駆動される。より具体的な一例として、制御部１１ｂには、電源１２ｂと、コントローラ１３ｂ（第１制御器１３ｂ１および第２制御器１３ｂ２を含む）と、スイッチ１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇとが備えられている。第１制御器１３ｂ１は、スイッチ１５ｃをオンオフすることで配線１４ｄと電源１２ｂとの接続状態を切り替え、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの通電を制御する。第２制御器１３ｂ２は、スイッチ１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇをそれぞれオンオフすることで配線１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈと電源１２ｂとの接続状態をそれぞれ切り替え、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの通電をそれぞれ制御する。配線１４ｄは、板状部材４ｂに形成された第１電極部、および、接続部材６ｃ、６ｄを介して第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄのそれぞれに電気的に接続されている。配線１４ｅは、板状部材４ｂに形成された第２電極部、および、接続部材８ｌ、８ｍを介して第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍのそれぞれに電気的に接続されている。配線１４ｆは、板状部材４ｂに形成された第３電極部、および、接続部材８ｋ、８ｎを介して第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎのそれぞれに電気的に接続されている。配線１４ｇは、板状部材４ｂに形成された第４電極部、および、接続部材８ｊ、８ｏを介して第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏのそれぞれに電気的に接続されている。配線１４ｈは、板状部材４ｂに形成された第５電極部、および、接続部材８ｉ、８ｐを介して第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐのそれぞれに電気的に接続されている。ただし、板状部材４ｂにおいて、第１電極部、第２電極部、第３電極部、第４電極部および第５電極部は、互いに導通しないように構成されている。また、電源１２ｂと、それぞれのスイッチ１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇとの間には、電圧変換器（図示省略）がそれぞれ設けられている。これらの電圧変換器で、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄ、および、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐに印加する電圧を、互いに異なる電圧としている。
【０１０９】
接続部材６ｃ、６ｄ、接続部材８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎ、８ｏ、８ｐが導電性を有する素材の場合、そのまま配線として利用することができる。接続部材６ｃ、６ｄ、接続部材８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎ、８ｏ、８ｐが導電性を有しない素材の場合、表面に金属めっきをしたり、導電性の素材を表面に沿わせたりなどして、配線１４ｄと第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄとの電気的接続、配線１４ｅと第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍとの電気的接続、配線１４ｆと第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎとの電気的接続、配線１４ｇと第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏとの電気的接続、および、配線１４ｈと第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐとの電気的接続をそれぞれ確保しても良い。なお、本実施の形態では板状部材４ｂ、接続部材６ｃ、６ｄ、接続部材８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎ、８ｏ、８ｐを介して電源１２ｂと第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄ、または、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐとを電気的に接続しているが、これに限るものではなく、配線１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈにそれぞれ対応する第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄ、および、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐとを直接接続する構成としても良い。
【０１１０】
また、電源１２ｂには配線１４ｉが接続されている。配線１４ｉは板状部材５ｂに接続されている。板状部材５ｂの下面（図６における下側の面）には、複数の電極部である第６電極部、第７電極部、第８電極部、第９電極部および第１０電極部が、互いに導通しないように形成されている。板状部材５ｂの下面において、第６電極部は第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄに対応する位置に設けられ、第７電極部は第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍに対応する位置に設けられ、第８電極部は第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎに対応する位置に設けられ、第９電極部は第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏに対応する位置に設けられ、第１０電極部は第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐに対応する位置に設けられている。
【０１１１】
配線１４ｉと第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄとは、常に電気的に接続されている。そして、このアクチュエータ１ａでは、終端部材１０ｌ、１０ｍが第７電極部に接触した場合に、配線１４ｉと第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍとが電気的に接続され、終端部材１０ｋ、１０ｎが第８電極部に接触した場合に、配線１４ｉと第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎとが電気的に接続され、終端部材１０ｊ、１０ｏが第９電極部に接触した場合に、配線１４ｉと第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏとが電気的に接続され、終端部材１０ｉ、１０ｐが第１０電極部に接触した場合に、配線１４ｉと第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐとが電気的に接続される。すなわち、配線１４ｉは、第６電極部および接続部材７ｃ、７ｄを介して第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄに電気的に接続され、また、第７電極部、終端部材１０ｌ、１０ｍおよび接続部材９ｌ、９ｍを介して第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍに電気的に接続され、第８電極部、終端部材１０ｋ、１０ｎおよび接続部材９ｋ、９ｎを介して第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎに電気的に接続され、第９電極部、終端部材１０ｊ、１０ｏおよび接続部材９ｊ、９ｏを介して第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏに電気的に接続され、第１０電極部、終端部材１０ｉ、１０ｐおよび接続部材９ｉ、９ｏを介して第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐに電気的に接続される。
【０１１２】
接続部材７ｃ、７ｄ、接続部材９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐが導電性を有する素材の場合、そのまま配線として利用することができる。接続部材７ｃ、７ｄ、接続部材９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐが導電性を有しない素材の場合、表面に金属めっきをしたり、導電性の素材を表面に沿わせたりなどして、配線１４ｉと第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄとの電気的接続、配線１４ｉと第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍとの電気的接続、配線１４ｉと第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎとの電気的接続、配線１４ｉと第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏとの電気的接続、および、配線１４ｉと第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐとの電気的接続をそれぞれ確保しても良い。ただし、接続部材９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐと板状部材５ｂとの間（例えば、板状部材５ｂの貫通孔内）には絶縁処理が施されており、接続部材９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐがそれぞれ終端部材１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐを介さずに配線１４ｉと電気的に接続しないように構成されている。
【０１１３】
次に、このアクチュエータ１ｂの作用を説明する。
【０１１４】
図６のアクチュエータ１ｂにおいて、板状部材４ｂは固定され、板状部材５ｂは図６の下方向に負荷が加えられた状態で図６の上下方向に自由に移動できるように構成されている。負荷が最も小さい範囲では、負荷は第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄによって支えられ、板状部材５ｂと終端部材１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐとは接触しない。それより負荷が大きくなると、負荷を第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄでは支えられなくなり、板状部材５ｂと終端部材１０ｌ、１０ｍとが接触する。これにより、負荷は第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍによって支えられる。さらに負荷が大きくなっていくと、板状部材５ｂは順次、終端部材１０ｋ、１０ｎ、終端部材１０ｊ、１０ｏ、終端部材１０ｉ、１０ｐと接触する。これにより、負荷を支えるアクチュエータ繊維として、順次、第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎ、第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏ、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐが追加されていく。
【０１１５】
なお、本実施の形態では、負荷が最大のときの、板状部材５ｂの板状部材４ｂに対する変位量を最大変位量と呼ぶ。また、板状部材５ｂに終端部材１０ｌ、１０ｍが接触または離間するときの変位量を第１変位量と呼び、板状部材５ｂに終端部材１０ｋ、１０ｎが接触または離間するときの変位量を第２変位量と呼び、板状部材５ｂに終端部材１０ｊ、１０ｏが接触または離間するときの変位量を第３変位量と呼び、板状部材５ｂに終端部材１０ｉ、１０ｐが接触または離間するときの変位量を第４変位量と呼ぶ。
【０１１６】
ただし、第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍが存在しない場合は、板状部材５ｂに終端部材１０ｋ、１０ｎが接触または離間するときの変位量を第１変位量と呼び、板状部材５ｂに終端部材１０ｊ、１０ｏが接触または離間するときの変位量を第２変位量と呼び、板状部材５ｂに終端部材１０ｉ、１０ｐが接触または離間するときの変位量を第３変位量と呼んでもよい。さらに、第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎが存在しない場合は、板状部材５ｂに終端部材１０ｊ、１０ｏが接触または離間するときの変位量を第１変位量と呼び、板状部材５ｂに終端部材１０ｉ、１０ｐが接触または離間するときの変位量を第２変位量と呼んでもよい。さらに、第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏが存在しない場合は、板状部材５ｂに終端部材１０ｉ、１０ｐが接触または離間するときの変位量を第１変位量と呼んでもよい。
【０１１７】
アクチュエータ１ｂを動作させる場合、制御部１１ｂのコントローラ１３ｂによってスイッチ１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇを短絡または開放するようにそれぞれ制御する。板状部材５ｂの板状部材４ｂに対する変位量が第１変位量未満である場合には、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄが通電加熱され、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄに上方（図６における上方）への収縮力が発生する。板状部材５ｂの板状部材４ｂに対する変位量が第１変位量以上第２変位量未満である場合には、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍに通電加熱され、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍに上方への収縮力が発生する。板状部材５ｂの板状部材４ｂに対する変位量が第２変位量以上第３変位量未満である場合には、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎに通電加熱され、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎに上方への収縮力が発生する。板状部材５ｂの板状部材４ｂに対する変位量が第３変位量以上第４変位量未満である場合には、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏに通電加熱され、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏに上方への収縮力が発生する。そして、板状部材５ｂの板状部材４ｂに対する変位量が第４変位量以上最大変位量以下である場合には、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの全てが通電加熱され、全てのアクチュエータ繊維に上方への収縮力が発生する。
【０１１８】
本実施の形態にかかるアクチュエータ１ｂでは、板状部材５ｂの板状部材４ｂに対する変位量が第１変位量未満の場合は、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄへの通電により第１アクチュエータ繊維２ａ、２ｂの温度が制御され、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの温度は制御されず、第１アクチュエータユニット２で負荷を保持する状態となる。一方、板状部材５ｂの板状部材４ｂに対する変位量が第１変位量以上かつ最大変位量以下の場合は、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの通電により第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの温度が制御され、かつ、第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍまたは第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎまたは第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏまたは第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの通電により第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの温度がそれぞれ制御され、第１アクチュエータユニット２および第２アクチュエータユニット３の両方で負荷を保持する状態となる。
【０１１９】
＜アクチュエータの効果＞
図７は、実施の形態２にかかるアクチュエータ１ｂに種々の負荷を加えた際の概略を示す図である。アクチュエータ１ｂにおいて、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの自然長は５Ｌ、第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍの自然長は４Ｌ、第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎの自然長は３Ｌ、第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏの自然長は２Ｌ、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐの自然長はＬである。また、板状部材５ｂが板状部材４ｂに対してＤの変位をした時（変位量Ｄのとき）に終端部材１０ｌ、１０ｍと板状部材５ｂとが接触するよう配置され、板状部材５ｂが板状部材４ｂに対して２Ｄの変位をした時にさらに終端部材１０ｋ、１０ｎと板状部材５ｂとが接触するよう配置され、板状部材５ｂが板状部材４ｂに対して３Ｄの変位をした時にさらに終端部材１０ｊ、１０ｏと板状部材５ｂとが接触するよう配置され、板状部材５ｂが板状部材４ｂに対して４Ｄの変位をした時にさらに終端部材１０ｉ、１０ｐと板状部材５ｂとが接触するよう配置されている。なお、本実施の形態の説明に用いるＬ、Ｄ、Ｆ、Ｔ、Ｊ、ηの記号は、比較例１において使用したものと同じ値とする。
【０１２０】
図７の（ａ）は、板状部材５ｂに負荷が加わらず、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄ、および、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐが自然長となる状態を示している。図７の（ｂ）は、板状部材５ｂが板状部材４ｂに対してＤの変位をし、板状部材５ｂと終端部材１０ｌ、１０ｍとが接触する直前の状態を示している。この状態における負荷は、１／５の本数の第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄで図２２の（ｂ）に示す状態を実現する負荷と等しいので、０．０４Ｆになる。図７の（ｃ）は、板状部材５ｂが板状部材４ｂに対して２Ｄの変位をし、板状部材５ｂと終端部材１０ｋ、１０ｎとが接触する直前の状態を示している。この状態における負荷は、０．１３Ｆになる。図７の（ｄ）は、板状部材５ｂが板状部材４ｂに対して３Ｄの変位をし、板状部材５ｂと終端部材１０ｊ、１０ｏとが接触する直前の状態を示している。この状態における負荷は、０．２８７Ｆになる。図７の（ｅ）は、板状部材５ｂが板状部材４ｂに対して４Ｄの変位をし、板状部材５ｂと終端部材１０ｉ、１０ｐとが接触する直前の状態を示している。この状態における負荷は、０．５４３Ｆになる。図７の（ｆ）は、板状部材５ｂが板状部材４ｂに対して５Ｄの変位をし、板状部材５ｂと終端部材１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐとが接触している状態を示している。この状態における負荷は、Ｆになる。この状態では、自然長５Ｌの第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄは５Ｄの変位をし、自然長４Ｌの第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍは４Ｄの変位をし、自然長３Ｌの第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎは３Ｄの変位し、自然長２Ｌの第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏは２Ｄの変位し、自然長Ｌの第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐはＤの変位をしており、全てのアクチュエータ繊維のひずみと張力は等しくなっている。
【０１２１】
なお、各状態における負荷は、張力が作用している各アクチュエータ繊維の、ばね定数と変位の乗算値を求め、得られた各乗算値を合計した値に等しい。また、本実施の形態では、板状部材５ｂの板状部材４ｂに対する第１変位量は変位量Ｄであり、第２変位量は変位量２Ｄであり、第３変位量は変位量３Ｄであり、第４変位量は変位量４Ｄであり、最大変位量は変位量５Ｄである。
【０１２２】
図８は、図７の各状態におけるアクチュエータ１ｂの駆動効率を示す表である。これらのアクチュエータにΔＬの変位を発生させるのに必要な温度変化は、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄにおいては０．２ΔＴ、第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍにおいては０．２５ΔＴ、第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎにおいては０．３３３ΔＴ、第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏにおいては０．５ΔＴ、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐにおいてはΔＴとなる。したがって、図７の（ｂ）に示す状態での投入エネルギーは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄを加熱すればよいので、０．２Ｊにとどまる。図７の（ｃ）に示す状態での投入エネルギーは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍを加熱すればよいので、０．４Ｊにとどまる。図７の（ｄ）に示す状態での投入エネルギーは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎを加熱すればよいので、０．６Ｊにとどまる。図７の（ｅ）に示す状態での投入エネルギーは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏを加熱すればよいので、０．８Ｊにとどまる。図７の（ｆ）に示す状態での投入エネルギーは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄ、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐをそれぞれ加熱することになるので、Ｊとなる。以上のことから駆動効率を求めると、図７の（ｂ）に示す状態では０．２ηとなり、比較例で同じ負荷を作用させた場合の５倍となる。図７の（ｃ）に示す状態では０．３２５ηとなり、比較例で同じ負荷を作用させた場合の２．５倍となる。図７の（ｄ）に示す状態では０．４７８ηとなり、比較例で同じ負荷を作用させた場合の１．６７倍となる。図７の（ｅ）に示す状態では０．６７９ηとなり、比較例で同じ負荷を作用させた場合の１．２５倍となる。図７の（ｆ）に示す状態ではηとなり、比較例で同じ負荷を作用させた場合と等しくなる。
【０１２３】
図９は、アクチュエータ１ｂにおける負荷と変位量の関係を示す図である。ここで比較例（Ｌ）とは、アクチュエータ素子の自然長がＬとなる図１９、図２０で示した比較例の結果である。また比較例（５Ｌ）とは、アクチュエータ素子の自然長が５Ｌとなる図２２、図２３で示した比較例の結果である。比較例における変位量は、負荷に比例して増加する線形ばねの特性になるが、一方で、本実施の形態のアクチュエータ１ｂでは、負荷を支えるアクチュエータ繊維が増加するほどばね定数が増加する非線形ばねの特性を示すことになる。図９における（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の位置は、それぞれ図７、図８における（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す状態に対応している。図１０は、アクチュエータ１ｂにおける負荷と駆動効率の関係を示す図である。図１０に示すように、負荷が０．５４３Ｆとなる図１０の（ｅ）までの間で、比較例に比べて駆動効率を改善できることがわかる。このような特性は、安全上、負荷Ｆまでは対応する必要がありつつ、通常は小さい範囲で負荷が変動する場合に効果がある。
【０１２４】
以上より、本実施の形態によれば、板状部材５ｂに作用する負荷が、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの双方に張力を作用させることで許容される最大負荷に比べて小さく、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの張力で保持できる場合には、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの温度を変化させることで板状部材５ｂを変位させることができる。この場合、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの双方に張力が作用する負荷を駆動する場合に必要な熱エネルギーと比べて、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの温度を変化させるのに必要な熱エネルギー分が削減できる。これにより、低負荷時における駆動効率が低下する比較例のアクチュエータに比べ、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ｂは、低負荷時における駆動効率を高めることができる。よって、許容最大負荷に比べて低い負荷で駆動する場合における駆動効率を改善するアクチュエータ１ｂが得られる。
【０１２５】
さらに本実施の形態によれば、ばね定数の異なる複数の第２アクチュエータ繊維が備えられているので、例えば、板状部材５ｂに作用する負荷が、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏの張力で保持できる場合にも、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏの温度を変化させることで板状部材５ｂを変位させることができる。この場合、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの双方に張力が作用する負荷を駆動する場合に必要な熱エネルギーと比べて、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐの温度を変化させるのに必要な熱エネルギー分が削減でき、低負荷時での駆動効率を高められる。したがって、ばね定数の異なる複数の第２アクチュエータ繊維を備えることで、図１０に示すように複数の負荷に駆動効率のピークを発生でき、設計の自由度が高められることになる。
【０１２６】
なお、本実施の形態では、板状部材５ｂが変位し、終端部材１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐと接触することで通電が可能になるように構成されているので、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐに張力が作用する状態で、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐが通電加熱されて温度が変化する。このようにすることは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｃで支えられる負荷の場合に、無駄に第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの温度を変化させてエネルギーを消費する必要がなくなるので、より駆動効率が改善できる。しかし、この構成に限るものではなく、接続部材９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐと板状部材５ｂとを接続部材９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐに作用する張力で機械的にオン、オフされるスイッチを介して接続したり、ひずみセンサ等で第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐに作用する張力を測定して、その情報を基にコントローラ１３ｂがスイッチ１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇをオン、オフしても同様に実施可能である。また、張力を直接測定せず、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐのそれぞれに張力が作用すると推定される板状部材５ｂの変位範囲において、コントローラ１３ｂが対応するスイッチ１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇをオン、オフしてもよい。
【０１２７】
なお、本実施の形態では、板状部材４ｂに対する板状部材５ｂの変位量が第１変位量以上かつ第２変位量以下の場合は、第１制御器１３ｂ１と第２制御器１３ｂ２を用いて、第１アクチュエータユニット２の変位量から第１変位量を引いた量と、駆動している第２アクチュエータユニット３の変位量とが等しくなるように制御している。また、相対位置が第２変位量以上かつ第３変位量以下の場合は、第１制御器１３ｂ１と第２制御器１３ｂ２を用いて、第１アクチュエータユニット２の変位量から第２変位量を引いた量と、駆動している第２アクチュエータユニット３の変位量とが等しくなるように制御している。また、相対位置が第３変位量以上かつ第４変位量以下の場合は、第１制御器１３ｂ１と第２制御器１３ｂ２を用いて、第１アクチュエータユニット２の変位量から第３変位量を引いた量と、駆動している第２アクチュエータユニット３の変位量とが等しくなるように制御している。また、相対位置が第４変位量以上かつ最大変位量以下の場合は、第１制御器１３ｂ１と第２制御器１３ｂ２を用いて、第１アクチュエータユニット２の変位量から第４変位量を引いた量と、駆動している第２アクチュエータユニット３の変位量とが等しくなるように制御している。これは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄと第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐとの温度を変化させるとき、いずれもΔＬ変位するよう温度を変化させることで実現している。この構成によれば、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄ、および、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの間での負荷のバラツキを最小化でき、特定のアクチュエータ繊維の寿命が短くなる等の問題を回避できる。
【０１２８】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータユニット２を一列に並べて配置した第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄで構成し、第２アクチュエータユニット３を、それぞれ一列に並べて配置した第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｍ、第２アクチュエータ繊維３ｋ、３ｎ、第２アクチュエータ繊維３ｊ、３ｏ、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｐで構成している。このように、一列に並べて配置された複数のアクチュエータ繊維で負荷を保持する場合、アクチュエータ繊維１本当たりの太さを細くすることができ、より薄型なアクチュエータ１ｂが得られる。しかし、これに限るものではなく、第１アクチュエータユニット２、または、第２アクチュエータユニット３をそれぞれ１本のアクチュエータ繊維で構成したり、本実施の形態とは異なる本数のアクチュエータ繊維を一列に並べて配置した構成にしたりしてもよい。コイルばねのばね定数は、同じ長さで相似形状の場合、アクチュエータ繊維の繊維径（高分子繊維体をその中心軸に対して垂直方向に切断した場合の直径）の自乗に比例すると考えられるので、例えば、２本の第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄで構成される第１アクチュエータユニット２は、アクチュエータ繊維の繊維径を√２倍にすることで、１本のアクチュエータ繊維で置き換えることができる。同様に、第２アクチュエータユニット３も、アクチュエータ繊維の繊維径を√２倍にすることで、１本のアクチュエータ繊維で置き換えることができる。このように、繊維径を変化させることで、第１アクチュエータユニット２または第２アクチュエータユニット３を構成するアクチュエータ繊維の本数を任意に変化させることができる。
【０１２９】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄと第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐとが、左右対称に一列に並んで配置されている。すなわち、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの配置が、列の両端に位置する２つのアクチュエータ繊維３ｉ、３ｐの中間線を基準として線対称である。このようにすることは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄを用いて板状部材５ｂを移動させたり、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐを用いて板状部材５ｂを移動する際に、板状部材５ｂにモーメントが発生しない。
【０１３０】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄと第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐとを、ばね形状が同じで長さが異なるように構成している。すなわち、アクチュエータ１ｂは、第１アクチュエータ繊維の各々が、第１コイル径と、第１ばねピッチと、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの高分子繊維体の線径である第１線径とを含む第１ばね形状を有し、第２アクチュエータ繊維の各々は、第１コイル径と等しい第２コイル径と、第１ばねピッチと等しい第２ばねピッチと、第１線径と等しい第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの高分子繊維体の線径である第２線径とを含む第２ばね形状を有している。かつ、アクチュエータ１ｂは、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄの各々の長さと、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの各々の長さとが異なっている。これにより、第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３とを構成するそれぞれのアクチュエータ繊維は、発生応力や許容できるひずみが等しく、ばね定数がアクチュエータ繊維長さに反比例する関係になる。よって、アクチュエータ繊維の長さと本数とを調節することで、第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３とのばね定数の比率を容易に目標の値にすることが可能になる。
【０１３１】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄと第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐとのそれぞれのひずみが、板状部材５ｂが５Ｄ変位したときに同一になるよう配置されているが、これはその位置において第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３との両方の作用する最大負荷が一定になり、より信頼性の高いアクチュエータが得られる。
【０１３２】
なお、本実施の形態では、アクチュエータ繊維の素材としてナイロンを使用しているが、これに限るものではなく、ポリエチレン、ＰＶＤＦ、ポリエステル、ケプラー等各種の高分子素材が利用可能である。
【０１３３】
なお、本実施の形態では、アクチュエータ繊維の表面に銀めっきを施して通電加熱することによりアクチュエータ繊維の温度を変化させているが、これは取り扱いが容易である。しかし、これに限るものではなく、銀以外の導電性物質をめっきしたり、高分子素材の内部に導電性素材を含有させてアクチュエータ繊維に導電性を持たせたり、アクチュエータ繊維の外周に導電性素材を巻き付けたりして、通電加熱してもよい。また、アクチュエータ繊維周辺の気体の温度を変化させたり、アクチュエータ繊維に接触させる液体の温度を変化させたりなどして、アクチュエータ繊維の温度を変化させてもよい。また、アクチュエータ繊維の表面に導電性を持たせる場合、隣接するアクチュエータ繊維との電気的接触を防止するために表面を絶縁コーティングしてもよい。
【０１３４】
なお、本実施の形態では、線対称に配置された第１アクチュエータ繊維２ｃ、２ｄおよび第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐは、その両端である第１端と第２端を有している。そして、線対称の中間線から第１端に向かう各アクチュエータ繊維のばね定数の第１順（第１アクチュエータ繊維２ｃ、第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｋ、３ｊ、３ｉの順）において、第１アクチュエータ繊維２ｃ、第２アクチュエータ繊維３ｌ、３ｋ、３ｊ、３ｉの順にばね定数の逆数が線形的に減少している。また、線対称の中間線から第２端に向かう各アクチュエータ繊維のばね定数の第１順（第１アクチュエータ繊維２ｄ、第２アクチュエータ繊維３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの順）において、第１アクチュエータ繊維２ｄ、第２アクチュエータ繊維３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの順にばね定数の逆数が線形的に増加している。すなわち、一列に並んで配置された第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、第１アクチュエータ繊維２ｃの順に沿った一方向に、ばね定数の逆数に比例するアクチュエータ繊維の自然長が線形的に変化している。また、一列に並んで配置された第２アクチュエータ繊維３ｐ、３ｏ、３ｎ、３ｍ、第１アクチュエータ繊維２ｄの順に沿った、一方向とは反対方向に、ばね定数の逆数に比例するアクチュエータ繊維の自然長が線形的に変化している。これは、広い負荷範囲にわたって駆動効率を改善できる。しかし、これに限るものではなく、各アクチュエータ繊維のばね定数の変化を調節して効率のピークの分布を変化させてもよい。
【０１３５】
なお、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ｂでは、線対称の中間線と第１端との間または第１端に位置する第２アクチュエータ繊維が、少なくともｎ個（ｎ≧３、ｎは整数）のアクチュエータ繊維を含み、ｎ個のアクチュエータ繊維に含まれる任意の３つのアクチュエータ繊維に含まれる２つのアクチュエータ繊維の間に位置するアクチュエータ繊維のばね定数が、任意の３つのアクチュエータ繊維のうちの最大のばね定数よりも小さく、最小のばね定数よりも大きい。例えば、中間線と第１端との間または第１端に位置する第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌが、４つのアクチュエータ繊維からなり、４つのアクチュエータ繊維に含まれる任意の３つのアクチュエータ繊維３ｊ、３ｋ、３ｌに含まれる２つのアクチュエータ繊維３ｊ、３ｌの間に位置するアクチュエータ繊維３ｋのばね定数は、任意の３つのアクチュエータ繊維３ｊ、３ｋ、３ｌの最大のばね定数よりも小さく、最小のばね定数よりも大きい。すなわち、アクチュエータ１ｂでは、第２アクチュエータ繊維３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌの中で、または、第２アクチュエータ繊維３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐの中で、ばね定数の近いものが隣り合うよう配置されている。これは、隣り合うアクチュエータ繊維同士の温度差が小さくなり、熱伝達による損失を低減できる。しかし、これに限るものではなく、アクチュエータ繊維同士を間隔を開けて配置する場合などは隣り合うアクチュエータ繊維同士の温度差が与える影響は小さくなるので、任意の組み合わせでアクチュエータ繊維を配置してもよい。
【０１３６】
（実施の形態３）
＜アクチュエータの構成＞
図１１は、実施の形態３にかかるアクチュエータ１ｃの概略を示す図である。
【０１３７】
アクチュエータ１ｃは、第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３とを備えている。第１アクチュエータユニット２および第２アクチュエータユニット３は、ベース部の一例としての板状部材４ｃと相対変位部の一例としての板状部材５ｃとの間に位置している。
【０１３８】
第１アクチュエータユニット２は、一列に並んで配置された同一ばね形状、同一長さの２本の第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆにより構成されている。第２アクチュエータユニット３は、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆとばね形状が同一で長さが１／８の２本の第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖと、ばね形状が同一で長さが１／４の２本の第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕと、ばね形状が同一で長さが１／２の２本の第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔで構成されている。第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖ、第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕ、および、第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔは、それぞればね定数が異なる。なお、同一ばね形状とは、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの各々の、コイル径と、ばねピッチと、後述する高分子繊維体の線径とが同じであることを示す。
【０１３９】
第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖは、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの１／８の長さを備えることから、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖのばね定数は、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの８倍となる。また、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖは、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの長さの１／８の長さであることから、アクチュエータ１ｂの使用時において、アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖの最大変位量は、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの最大変位量の１／８となる。同様に、第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕ、第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔのばね定数は、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆのばね定数のそれぞれ４倍、２倍となる。また、第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕ、第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔの最大変位量は、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの最大変位量のそれぞれ１／４、１／２となる。
【０１４０】
第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖは、それぞれ、１または複数の高分子繊維（例えば、ナイロン繊維）が捩られて形成された高分子繊維体が螺旋状に巻回されたコイル状の構造をしている。これら第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖは、表面に銀めっきが施されており、通電することで抵抗加熱（通電加熱）され、通電加熱された際の温度変化に伴って伸縮する。本実施の形態では、高分子繊維体の捩り方向と螺旋の巻回方向とが同じ方向であり、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖに熱を加えることで、アクチュエータ繊維の全長が収縮するように構成されている。
【０１４１】
第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆは、板状部材４ｃに対して、それぞれ接続部材６ｅ、６ｆを介して一端を接続されている。同様に、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖは、板状部材４ｃに対して、それぞれ接続部材８ｑ、８ｒ、８ｓ、８ｔ、８ｕ、８ｖを介して一端を接続されている。また、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆは、板状部材５ｃに対して、それぞれ接続部材７ｅ、７ｆを介して他端を接続されている。第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの他端には、接続部材９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖの一端が接続されている。
【０１４２】
接続部材６ｅ、６ｆ、接続部材７ｅ、７ｆ、接続部材８ｑ、８ｒ、８ｓ、８ｔ、８ｕ、８ｖ、接続部材９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖは、一例としてそれぞれ線状の素材で構成されている。この構成によれば、アクチュエータ１に曲げに対する柔軟性を持たせることができる。素材としては、高分子繊維、炭素繊維、金属ワイヤ等が利用可能である。高分子繊維、炭素繊維は、軽量である。金属ワイヤとしては、超弾性合金のように曲げに対する柔軟性がある素材であってもよい。
【０１４３】
板状部材５ｃには、図１１の上下方向に貫通孔が設けられており、その貫通孔に、接続部材９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖが挿通されている。板状部材５ｃは、それぞれの接続部材９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖに対して上下方向に摺動可能となっている。接続部材９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖの他端には、それぞれ導電性を備えた終端部材１０ｑ、１０ｒ、１０ｓ、１０ｔ、１０ｕ、１０ｖが接続されている。第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆに接続された板状部材５ｃが、図１１の下方向に移動し、順次、終端部材１０ｓおよび１０ｔ、終端部材１０ｒおよび１０ｕ、終端部材１０ｑおよび１０ｖに接触することで、接続部材９ｓ、９ｔを介して第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔに、接続部材９ｒ、９ｕを介して第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕに、接続部材９ｑ、９ｖを介して第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖに、それぞれ張力が作用する。
【０１４４】
アクチュエータ１ｃは制御部１１ｃにより駆動される。より具体的な一例として、制御部１１ｃには、電源１２ｃと、コントローラ１３ｃ（第１制御器１３ｃ１および第２制御器１３ｃ２を含む）と、スイッチ１５ｈ、１５ｉ、１５ｊ、１５ｋとが備えられている。第１制御器１３ｃ１は、スイッチ１５ｈをオンオフすることで配線１４ｊと電源１２ｃとの接続状態を切り替え、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの通電を制御する。第２制御器１３ｃ２は、スイッチ１５ｉ、１５ｊ、１５ｋをそれぞれオンオフすることで配線１４ｋ、１４ｌ、１４ｍと電源１２ｃとの接続状態をそれぞれ切り替え、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの通電をそれぞれ制御する。配線１４ｊは、板状部材４ｃに形成された第１電極部、および、接続部材６ｅ、６ｆを介して第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆのそれぞれに電気的に接続されている。配線１４ｋは、板状部材４ｃに形成された第２電極部、および、接続部材８ｓ、８ｔを介して第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔのそれぞれに電気的に接続されている。配線１４ｌは、板状部材４ｃに形成された第３電極部、および、接続部材８ｒ、８ｕを介して第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕのそれぞれに電気的に接続されている。配線１４ｍは、板状部材４ｃに形成された第４電極部、および、接続部材８ｑ、８ｖを介して第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖのそれぞれに電気的に接続されている。ただし、板状部材４ｃにおいて、第１電極部、第２電極部、第３電極部および第４電極部は互いに導通しないように構成されている。また、電源１２ｃと、それぞれのスイッチ１５ｈ、１５ｉ、１５ｊ、１５ｋとの間には、電圧変換器（図示省略）がそれぞれ設けられている。これらの電圧変換器で、アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆ、および、アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖに印加する電圧を、互いに異なる電圧としている。
【０１４５】
接続部材６ｅ、６ｆ、接続部材８ｑ、８ｒ、８ｓ、８ｔ、８ｕ、８ｖが導電性を有する素材の場合、そのまま配線として利用することができる。接続部材６ｅ、６ｆ、接続部材８ｑ、８ｒ、８ｓ、８ｔ、８ｕ、８ｖが導電性を有しない素材の場合、表面に金属めっきをしたり、導電性の素材を表面に沿わせたりなどして、配線１４ｊと第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆとの電気的接続、配線１４ｋと第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔとの電気的接続、配線１４ｌと第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕとの電気的接続、および、配線１４ｍと第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖとの電気的接続をそれぞれ確保しても良い。なお、本実施の形態では板状部材４ｃ、接続部材６ｅ、６ｆ、接続部材８ｑ、８ｒ、８ｓ、８ｔ、８ｕ、８ｖを介して電源１２ｃと第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆ、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖとを電気的に接続しているが、これに限るものではなく、配線１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ、１４ｍにそれぞれ対応するアクチュエータ繊維２ｅ、２ｆ、および、アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖとを直接接続する構成としても良い。
【０１４６】
また、電源１２ｃには配線１４ｎが接続されている。配線１４ｎは板状部材５ｃに接続されている。板状部材５ｃの下面（図１１における下側の面）には、複数の電極部である第５電極部、第６電極部、第７電極部および第８電極部が、互いに導通しないように形成されている。板状部材５ｃの下面において、第５電極部は第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆに対応する位置に設けられ、第６電極部は第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔに対応する位置に設けられ、第７電極部は第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕに対応する位置に設けられ、第８電極部は第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖに対応する位置に設けられている。
【０１４７】
配線１４ｎと第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆとは、常に電気的に接続されている。そして、このアクチュエータ１ｃでは、終端部材１０ｓ、１０ｔが第６電極部に接触した場合に、配線１４ｎと第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔとが電気的に接続され、終端部材１０ｒ、１０ｕが第７電極部に接触した場合に、配線１４ｎと第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕとが電気的に接続され、終端部材１０ｑ、１０ｖが第８電極部に接触した場合に、配線１４ｎと第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖとが電気的に接続される。すなわち、配線１４ｎは、第５電極部および接続部材７ｅ、７ｆを介して第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆに電気的に接続され、また、第６電極部、終端部材１０ｓ、１０ｔおよび接続部材９ｓ、９ｔを介して第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔに電気的に接続され、第７電極部、終端部材１０ｒ、１０ｕおよび接続部材９ｒ、９ｕを介して第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕに電気的に接続され、第８電極部、終端部材１０ｑ、１０ｖおよび接続部材９ｑ、９ｖを介して第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖに電気的に接続される。
【０１４８】
接続部材７ｅ、７ｆ、接続部材９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖが導電性を有する素材の場合、そのまま配線として利用することができる。接続部材７ｅ、７ｆ、接続部材９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖが導電性を有しない素材の場合、表面に金属めっきをしたり、導電性の素材を表面に沿わせたりなどして、配線１４ｎと第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆとの電気的接続、配線１４ｎと第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔとの電気的接続、配線１４ｎと第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕとの電気的接続、および、配線１４ｎと第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖとの電気的接続をそれぞれ確保しても良い。ただし、接続部材９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖと板状部材５ｃとの間（例えば、板状部材５ｃの貫通孔内）には絶縁処理が施されており、接続部材９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖがそれぞれ終端部材１０ｑ、１０ｒ、１０ｓ、１０ｔ、１０ｕ、１０ｖを介さずに配線１４ｎと電気的に接続しないように構成されている。
【０１４９】
次に、このアクチュエータ１ｃの作用を説明する。
【０１５０】
図１１のアクチュエータ１ｃにおいて、板状部材４ｃは固定され、板状部材５ｃは図１１の下方向に負荷が加えられた状態で図１１の上下方向に自由に移動できるように構成されている。負荷が最も小さい範囲では、負荷を第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆによって支えられ、板状部材５ｃと終端部材１０ｑ、１０ｒ、１０ｓ、１０ｔ、１０ｕ、１０ｖとは接触しない。それより負荷が大きくなると、負荷を第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆでは支えられなくなり、板状部材５ｃと終端部材１０ｓ、１０ｔとが接触する。これにより、負荷は第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔによって支えられる。さらに負荷が大きくなっていくと、板状部材５ｃは順次、終端部材１０ｒ、１０ｕ、終端部材１０ｑ、１０ｖと接触する。これにより、負荷を支えるアクチュエータ繊維として、順次、第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕ、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖが追加されていく。
【０１５１】
なお、本実施の形態では、負荷が最大のときの、板状部材５ｃの板状部材４ｃに対する変位量を最大変位量と呼ぶ。また、板状部材５ｃに終端部材１０ｓ、１０ｔが接触または離間するときの変位量を第１変位量と呼び、板状部材５ｃに終端部材１０ｒ、１０ｕが接触または離間するときの変位量を第２変位量と呼び、板状部材５ｃに終端部材１０ｑ、１０ｖが接触または離間するときの変位量を第３変位量と呼ぶ。
【０１５２】
ただし、第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔが存在しない場合は、板状部材５ｃに終端部材１０ｒ、１０ｕが接触または離間するときの変位量を第１変位量と呼び、板状部材５ｃに終端部材１０ｑ、１０ｖが接触または離間するときの変位量を第２変位量と呼んでもよい。さらに、第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕが存在しない場合は、板状部材５ｃに終端部材１０ｑ、１０ｖが接触または離間するときの変位量を第１変位量と呼んでもよい。
【０１５３】
アクチュエータ１ｃを動作させる場合、制御部１１ｃのコントローラ１３ｃによってスイッチ１５ｈ、１５ｉ、１５ｊ、１５ｋを短絡または開放するようにそれぞれ制御する。板状部材５ｃの板状部材４ｃに対する変位量が第１変位量未満である場合には、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆが通電加熱され、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆに上方（図１１における上方）への収縮力が発生する。板状部材５ｃの板状部材４ｃに対する変位量が第１変位量以上第２変位量未満である場合には、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔに通電加熱され、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔに上方への収縮力が発生する。板状部材５ｃの板状部材４ｃに対する変位量が第２変位量以上第３変位量未満である場合には、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕに通電加熱され、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕに上方への収縮力が発生する。そして、板状部材５ｃの板状部材４ｃに対する変位量が第３変位量以上最大変位量未満である場合には、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの全てが通電加熱され、全てのアクチュエータ繊維に上方への収縮力が発生する。
【０１５４】
本実施の形態にかかるアクチュエータ１ｃでは、板状部材５ｃの板状部材４ｃに対する変位量が第１変位量未満の場合は、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆへの通電により第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの温度が制御され、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの温度は制御されず、第１アクチュエータユニット２で負荷を保持する状態となる。一方、板状部材５ｃの板状部材４ｃに対する変位量が第１変位量以上かつ最大変位量以下の場合は、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの通電により第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの温度が制御され、かつ、第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔまたは第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕまたは第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの通電により第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの温度がそれぞれ制御され、第１アクチュエータユニット２および第２アクチュエータユニット３の両方で負荷を保持する状態となる。
【０１５５】
＜アクチュエータの効果＞
図１２は、実施の形態３にかかるアクチュエータ１ｃに種々の負荷を加えた際の概略を示す図である。アクチュエータ１ｃにおいて、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの自然長は８Ｌ、第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔの自然長は４Ｌ、第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕの自然長は２Ｌ、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖの自然長はＬである。また、板状部材５ｃが板状部材４ｃに対して４Ｄの変位をした時（変位量４Ｄのとき）に終端部材１０ｓ、１０ｔと板状部材５ｃとが接触するよう配置され、板状部材５ｃが板状部材４ｃに対して６Ｄの変位をした時にさらに終端部材１０ｒ、１０ｕと板状部材５ｃとが接触するよう配置され、板状部材５ｃが板状部材４ｃに対して７Ｄの変位をした時にさらに終端部材１０ｑ、１０ｖと板状部材５ｃとが接触するよう配置されている。なお、本実施の形態の説明に用いるＬ、Ｄ、Ｔ、ηの記号は、比較例１において使用したものと同じ値とするが、Ｆ、Ｊについては、本実施の形態のアクチュエータ繊維の本数が、実施の形態１のアクチュエータ繊維の本数の４／５になるので、それぞれ実施の形態１の値の４／５とする。
【０１５６】
図１２の（ａ）は、板状部材５ｃに負荷が加わらず、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆ、および、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖが自然長となる状態を示している。図１２の（ｂ）は、板状部材５ｃが板状部材４ｃに対して４Ｄの変位をし、板状部材５ｃと終端部材１０ｓ、１０ｔとが接触する直前の状態を示している。この状態における負荷は、０．１２５Ｆになる。図１２の（ｃ）は、板状部材５ｃが板状部材４ｃに対して６Ｄの変位をし、板状部材５ｃと終端部材１０ｒ、１０ｕとが接触する直前の状態を示している。この状態における負荷は、０．３１３Ｆになる。図１２の（ｄ）は、板状部材５ｃが板状部材４ｃに対して７Ｄの変位をし、板状部材５ｃと終端部材１０ｑ、１０ｖとが接触する直前の状態を示している。この状態における負荷は、０．５３１Ｆになる。図１２の（ｅ）は、板状部材５ｃが板状部材４ｃに対して８Ｄの変位をし、板状部材５ｃと終端部材１０ｑ、１０ｒ、１０ｓ、１０ｔ、１０ｕ、１０ｖとが接触している状態を示している。この状態における負荷は、Ｆになる。この状態では、自然長８Ｌの第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆは８Ｄの変位をし、自然長４Ｌの第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔは４Ｄの変位をし、自然長２Ｌの第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕは２Ｄの変位をし、自然長Ｌの第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖはＤの変位をしており、全てのアクチュエータ繊維のひずみと張力は等しくなっている。
【０１５７】
なお、各状態における負荷は、張力が作用している各アクチュエータ繊維の、ばね定数と変位量の乗算値を求め、得られた各乗算値を合計した値に等しい。また、本実施の形態では、板状部材５ｃの板状部材４ｃに対する第１変位量は変位量４Ｄであり、第２変位量は変位量６Ｄであり、第３変位量は変位量７Ｄであり、最大変位量は変位量８Ｄである。
【０１５８】
図１３は、図１２の各状態におけるアクチュエータ１ｃの駆動効率を示す表である。これらのアクチュエータにΔＬの変位を発生させるのに必要な温度変化は、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆにおいては０．１２５ΔＴ、第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔにおいては０．２５ΔＴ、第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕにおいては０．５ΔＴ、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖにおいてはΔＴとなる。したがって、図１２の（ｂ）に示す状態での投入エネルギーは、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆを加熱すればよいので、０．２５Ｊにとどまる。図１２の（ｃ）に示す状態での投入エネルギーは、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔを加熱すればよいので、０．５Ｊにとどまる。図１２の（ｄ）に示す状態での投入エネルギーは、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕを加熱すればよいので、０．７５Ｊにとどまる。図１２の（ｅ）に示す状態での投入エネルギーは、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆ、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖをそれぞれ加熱することになるので、Ｊとなる。以上のことから駆動効率を求めると、図１２の（ｂ）に示す状態では０．５ηとなり、比較例で同じ負荷を作用させた場合の４倍となる。図１２の（ｃ）に示す状態では０．６２５ηとなり、比較例で同じ負荷を作用させた場合の２倍となる。図１２の（ｄ）に示す状態では０．７０８ηとなり、比較例で同じ負荷を作用させた場合の１．３３倍となる。図１２の（ｅ）に示す状態ではηとなり、比較例で同じ負荷を作用させた場合と等しくなる。
【０１５９】
図１４は、アクチュエータ１ｃにおける負荷と変位量の関係を示す図である。ここで比較例（Ｌ）とは、アクチュエータ素子の自然長がＬとなる図１９、図２０で示した比較例の結果である。また比較例（８Ｌ）とは、アクチュエータ素子の自然長が８Ｌとなる比較例の結果である。比較例における変位量は、負荷に比例して増加する線形ばねの特性になるが、一方で、本実施の形態のアクチュエータ１ｃでは、負荷を支えるアクチュエータ繊維が増加するほどばね定数が増加する非線形ばねの特性を示すことになる。図１４における（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の位置は、それぞれ図１２、図１３における（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す状態に対応している。図１５は、アクチュエータ１ｃにおける負荷と駆動効率の関係を示す図である。図１５に示すように、負荷が０．５３１Ｆとなる図１５の（ｅ）までの間で、比較例に比べて駆動効率を改善できることがわかる。このような特性は、安全上、負荷Ｆまでは対応する必要がありつつ、通常は小さい範囲で負荷が変動する場合に効果がある。
【０１６０】
以上より、本実施の形態によれば、板状部材５ｃに作用する負荷が、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの双方に張力を作用させることで許容される最大負荷に比べて小さく、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの張力で保持できる場合には、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの温度を変化させることで板状部材５ｃを変位させることができる。この場合、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの双方に張力が作用する負荷を駆動する場合に必要な熱エネルギーと比べて、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの温度を変化させるのに必要な熱エネルギー分が削減できる。これにより、低負荷時における駆動効率が低下する比較例のアクチュエータに比べ、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ｃは、低負荷時における駆動効率を高めることができる。また、許容最大負荷に比べて低い負荷で駆動する場合における駆動効率を改善するアクチュエータ１ｃが得られる。
【０１６１】
さらに本実施の形態によれば、ばね定数の異なる複数の第２アクチュエータ繊維が備えられているので、例えば、板状部材５ｃに作用する負荷が、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕの張力で保持できる場合にも、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕの温度を変化させることで板状部材５ｃを変位させることができる。この場合、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの双方に張力が作用する負荷を駆動する場合に必要な熱エネルギーと比べて、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖの温度を変化させるのに必要な熱エネルギー分が削減でき、低負荷時での駆動効率を高められる。したがって、ばね定数の異なる複数の第２アクチュエータ繊維を備えることで、図１５に示すように複数の負荷に駆動効率のピークを発生でき、設計の自由度が高められることになる。
【０１６２】
なお、本実施の形態では、板状部材５ｃが変位し、終端部材１０ｑ、１０ｒ、１０ｓ、１０ｔ、１０ｕ、１０ｖと接触することで通電が可能になるように構成されているので、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖに張力が作用する状態で、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖが通電加熱されて温度が変化する。このようにすることは、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆで支えられる負荷の場合に、無駄に第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの温度を変化させてエネルギーを消費する必要がなくなるので、より駆動効率が改善できる。しかし、この構成に限るものではなく、接続部材９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖと板状部材５ｃとを接続部材９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖに作用する張力で機械的にオン、オフされるスイッチを介して接続したり、ひずみセンサ等で第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖに作用する張力を測定して、その情報を基にコントローラ１３ｃがスイッチ１５ｉ、１５ｊ、１５ｋをオン、オフしても同様に実施可能である。また、張力を直接測定せず、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖにのそれぞれに張力が作用すると推定される板状部材５ｃの変位範囲において、コントローラ１３ｃが対応するスイッチ１５ｉ、１５ｊ、１５ｋをオン、オフしてもよい。
【０１６３】
なお、本実施の形態では、板状部材４ｃに対する板状部材５ｃの変位量が第１変位量以上かつ第２変位量以下の場合は、第１制御器１３ｃ１と第２制御器１３ｃ２を用いて、第１アクチュエータユニット２の変位量から第１変位量を引いた量と、駆動している第２アクチュエータユニット３の変位量とが等しくなるように制御している。また、相対位置が第２変位量以上かつ第３変位量以下の場合は、第１制御器１３ｃ１と第２制御器１３ｃ２を用いて、第１アクチュエータユニット２の変位量から第２変位量を引いた量と、駆動している第２アクチュエータユニット３の変位量とが等しくなるように制御している。また、相対位置が第３変位量以上かつ最大変位量以下の場合は、第１制御器１３ｃ１と第２制御器１３ｃ２を用いて、第１アクチュエータユニット２の変位量から第３変位量を引いた量と、駆動している第２アクチュエータユニット３の変位量とが等しくなるように制御している。これは、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆと第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖとの温度を変化させるとき、いずれもΔＬ変位するよう温度を変化させることで実現している。この構成によれば、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆ、および、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの間での負荷のバラツキを最小化でき、特定のアクチュエータ繊維の寿命が短くなる等の問題を回避できる。
【０１６４】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータユニット２を一列に並べて配置した第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆで構成し、第２アクチュエータユニット３を、それぞれ並べて配置した第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｔ、第２アクチュエータ繊維３ｒ、３ｕ、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｖで構成している。このように、一列に並べて配置された複数のアクチュエータ繊維で負荷を保持する場合、アクチュエータ繊維１本当たりの太さを細くすることができ、より薄型なアクチュエータ１ｃが得られる。しかし、これに限るものではなく、第１アクチュエータ繊維、第２アクチュエータ繊維をそれぞれ１本のアクチュエータ繊維で構成したり、本実施の形態とは異なる本数のアクチュエータ繊維を並列配置した構成にしたりしてもよい。コイルばねのばね定数は、同じ長さで相似形状の場合、アクチュエータ繊維の繊維径（高分子繊維体をその中心軸に対して垂直方向に切断した場合の直径）の自乗に比例すると考えられるので、例えば、２本の第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆで構成される第１アクチュエータユニット２は、アクチュエータ繊維の繊維径を√２倍にすることで、１本のアクチュエータ繊維で置き換えることができる。同様に、第２アクチュエータユニット３も、アクチュエータ繊維の繊維径を√２倍にすることで、１本のアクチュエータ繊維で置き換えることができる。このように、繊維径を変化させることで、第１アクチュエータユニット２または第２アクチュエータユニット３を構成するアクチュエータ繊維の本数を任意に変化させることができる。
【０１６５】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆと第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖとが、左右対称に配置されている。すなわち、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび／または第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖが、一列に並んで配置された方向の両端に位置する２つのアクチュエータ繊維３ｑ、３ｖの中間位置を基準として線対称である。このようにすることは、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆを用いたり、それに加えて第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖを用いたりして、板状部材５ｃを移動する際に、板状部材５ｃにモーメントが発生しない。
【０１６６】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆと第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖとを、ばね形状が同じで長さが異なるように構成している。すなわち、アクチュエータ１ｃは、第１アクチュエータ繊維の各々が、第１コイル径と、第１ばねピッチと、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの高分子繊維体の線径である第１線径とを含む第１ばね形状を有し、第２アクチュエータ繊維の各々は、第１コイル径と等しい第２コイル径と、第１ばねピッチと等しい第２ばねピッチと、第１線径と等しい第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの高分子繊維体の線径である第２線径とを含む第２ばね形状を有している。かつ、アクチュエータ１ｃは、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆの各々の長さと、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖの各々の長さとが異なっている。これにより、第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３とを構成するそれぞれのアクチュエータ繊維は、発生応力や許容できるひずみが等しく、ばね定数がアクチュエータ繊維長さに反比例する関係になる。よって、アクチュエータ繊維の長さと本数とを調節することで第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３とのばね定数の比率を容易に目標の値にすることが可能になる。
【０１６７】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆと第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖとのそれぞれのひずみが、板状部材５ｃが５Ｄ変位したときに同一になるよう配置されているが、これはその位置において第１アクチュエータユニット２と第２アクチュエータユニット３との両方の作用する最大負荷が一定になり、より信頼性の高いアクチュエータが得られる。
【０１６８】
なお、本実施の形態では、アクチュエータ繊維の素材としてナイロンを使用しているが、これに限るものではなく、ポリエチレン、ＰＶＤＦ、ポリエステル、ケプラー等各種の高分子素材が利用可能である。
【０１６９】
なお、本実施の形態では、アクチュエータ繊維の表面に銀めっきを施して通電加熱することによりアクチュエータ繊維の温度を変化させているが、これは取り扱いが容易である。しかし、これに限るものではなく、銀以外の導電性物質をめっきしたり、高分子素材の内部に導電性素材を含有させてアクチュエータ繊維に導電性を持たせたり、アクチュエータ繊維の外周に導電性素材を巻き付けたりして、通電加熱してもよい。また、アクチュエータ繊維周辺の気体の温度を変化させたり、アクチュエータ繊維に接触させる液体の温度を変化させたりなどして、アクチュエータ繊維の温度を変化させてもよい。また、アクチュエータ繊維の表面に導電性を持たせる場合、隣接するアクチュエータ繊維との電気的接触を防止するために表面を絶縁コーティングしてもよい。
【０１７０】
なお、本実施の形態では、線対称に配置された第１アクチュエータ繊維２ｅ、２ｆおよび第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖは、その両端である第１端と第２端を有している。そして、線対称の中間線から第１端に向かう各アクチュエータ繊維のばね定数の第１順（第１アクチュエータ繊維２ｅ、第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｒ、３ｑの順）において、第１アクチュエータ繊維２ｅ、第２アクチュエータ繊維３ｓ、３ｒ、３ｑの順にばね定数の逆数が指数関数的に減少している。また、線対称の中間線から第２端に向かう各アクチュエータ繊維のばね定数の第１順（第１アクチュエータ繊維２ｆ、第２アクチュエータ繊維３ｔ、３ｕ、３ｖの順）において、第１アクチュエータ繊維２ｆ、第２アクチュエータ繊維３ｔ、３ｕ、３ｖの順にばね定数の逆数が指数関数的に増加している。すなわち、一列に並んで配置された第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓ、第１アクチュエータ繊維２ｅの順に沿った一方向に、ばね定数の逆数に比例するアクチュエータ繊維の自然長が指数関数的に変化している。また、一列に並んで配置された第２アクチュエータ繊維３ｖ、３ｕ、３ｔ、第１アクチュエータ繊維２ｆの順に沿った、一方向とは反対方向に、ばね定数の逆数に比例するアクチュエータ繊維の自然長が指数関数的に変化している。これは、広い負荷範囲にわたって駆動効率を改善できる。実施の形態２と比べた場合、アクチュエータ繊維の全長は長くなるが、駆動効率をより改善することができる。しかし、これに限るものではなく、各アクチュエータ繊維のばね定数の変化を調節して駆動効率のピークの分布を変化させてもよい。
【０１７１】
なお、本実施の形態では、アクチュエータ１ｃでは、線対称の中間線と第１端との間または第１端に位置する第２アクチュエータ繊維が、少なくともｎ個（ｎ≧３、ｎは整数）のアクチュエータ繊維を含み、ｎ個のアクチュエータ繊維に含まれる任意の３つのアクチュエータ繊維に含まれる２つのアクチュエータ繊維の間に位置するアクチュエータ繊維のばね定数が、任意の３つのアクチュエータ繊維のうちの最大のばね定数よりも小さく、最小のばね定数よりも大きい。例えば、中間線と第１端との間または第１端に位置する第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓが３つのアクチュエータ繊維からなり、このアクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓに含まれる２つのアクチュエータ繊維３ｑ、３ｓの間に位置するアクチュエータ繊維３ｒのばね定数は、３つのアクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓの最大のばね定数よりも小さく、最小のばね定数よりも大きい。すなわち、アクチュエータ１ｃでは、第２アクチュエータ繊維３ｑ、３ｒ、３ｓの中で、または、第２アクチュエータ繊維３ｔ、３ｕ、３ｖの中で、ばね定数の近いアクチュエータ繊維が隣り合うよう配置されている。これは、隣り合うアクチュエータ繊維同士の温度差が小さくなり、熱伝達による損失を低減できる。しかし、これに限るものではなく、アクチュエータ繊維同士を間隔を開けて配置する場合などは隣り合うアクチュエータ繊維同士の温度差が与える影響は小さくなるので、任意の組み合わせでアクチュエータ繊維を配置してもよい。
【０１７２】
以上、一つまたは複数の態様に係るアクチュエータについて、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１７３】
本開示にかかるアクチュエータは、例えば、人間に近い場所において動作する機械を駆動する人工筋肉アクチュエータとして利用可能である。また、本開示にかかるアクチュエータは、これ以外にも、外力に対する柔軟性を備えた安全なリニアアクチュエータとして利用可能であり、軽量なリニアアクチュエータとして利用可能であり、面状で曲げることも可能な布状アクチュエータとして利用可能である。
【符号の説明】
【０１７４】
１ａ、１ｂ、１ｃ  アクチュエータ
２    第１アクチュエータユニット
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ  第１アクチュエータ繊維
３    第２アクチュエータユニット
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈ、３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｎ、３ｏ、３ｐ、３ｑ、３ｒ、３ｓ、３ｔ、３ｕ、３ｖ  第２アクチュエータ繊維
４ａ、４ｂ、４ｃ  板状部材（ベース部）
５ａ、５ｂ、５ｃ  板状部材（相対変位部）
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ  接続部材
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ  接続部材
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ、８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎ、８ｏ、８ｐ、８ｑ、８ｒ、８ｓ、８ｔ、８ｕ、８ｖ  接続部材
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ、９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏ、９ｐ、９ｑ、９ｒ、９ｓ、９ｔ、９ｕ、９ｖ  接続部材
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐ、１０ｑ、１０ｒ、１０ｓ、１０ｔ、１０ｕ、１０ｖ  終端部材
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  制御部
１１ａ１、１１ｂ１、１１ｃ１  第１制御器
１１ａ２、１１ｂ２、１１ｃ２  第２制御器
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  電源
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ  コントローラ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ、１４ｍ、１４ｎ  配線
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇ、１５ｈ、１５ｉ、１５ｊ、１５ｋ  スイッチ
２１  アクチュエータ繊維
２２ａ、２２ｂ  取付部
【図１】
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【図２】
0006692096.tif 000003
【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】
0006692096.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0006692096.tif 000011
【図１１】
0006692096.tif 000012
【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】
0006692096.tif 000017
【図１７】
0006692096.tif 000018
【図１８】
0006692096.tif 000019
【図１９】
0006692096.tif 000020
【図２０】
0006692096.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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