(57)【要約】【課題】二関節アーム装置において、第２アームの先端の位置、該先端において発揮する力、及び、第２アームの剛性を独立して、正確に、かつ、簡単に制御することができるようにする。【解決手段】弾性体の一端の位置を制御する手段と、前記弾性体の他端から該弾性体の弾性力をアクチュエータ１０の出力として取り出す手段と、収縮力を発生する旨の指令を受ける手段とを有し、前記弾性体の一端の変位を前記収縮力に応じて制御することによって、任意に設定された前記収縮力と収縮変位に応じて変化する弾性力とを合成した出力特性を有する。【選択図】図１
2005096020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）弾性体の一端の位置を制御する手段と、
（ｂ）前記弾性体の他端から該弾性体の弾性力をアクチュエータの出力として取り出す手段と、
（ｃ）収縮力を発生する旨の指令を受ける手段とを有し、
（ｄ）前記弾性体の一端の変位を前記収縮力に応じて制御することによって、
（ｅ）任意に設定された前記収縮力と収縮変位に応じて変化する弾性力とを合成した出力特性を有することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記弾性体の弾性力をアクチュエータの出力として取り出す手段は、梃子である請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記弾性体は非線形特性を備え、アクチュエータの弾性率を変化させることができる請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
（ａ）前記弾性体の変位量と前記弾性体の一端の位置を計測する手段を有し、
（ｂ）任意に設定された前記出力特性と任意に設定された前記収縮力とに応じて弾性体の一端の位置を制御することによって、
（ｃ）前記出力特性を任意に設定する請求項１に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボット、マニュピュレータ、パワーショベル等においては、二関節アーム装置が使用されている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、例えば、各関節を複数のリンク部材から成るリンク機構によって構成し、シリンダ装置から成るアクチュエータによってリンク部材を駆動して各関節の動きを制御して多関節部材の曲げ伸ばしの動作を行わせることによって、第２アームの先端の位置等を制御するようになっている。
【０００３】
また、二関節アーム装置を駆動させるためのアクチュエータとして、人間を含む動物において腕を曲げるために機能する二関節筋のモデルを提案し、該モデルを使用して二関節アーム装置の動作制御に関する研究も行われている（例えば、非特許文献１参照。）。この研究では、二関節同時駆動源を備えた二関節アーム装置においてアーム先端部の力と剛性を制御するためには、駆動源として、収縮方向に力を発揮する収縮要素と弾性要素とを有するアクチュエータのモデルを使用することが好適であるとされている。
【０００４】
図２は従来のアクチュエータのモデルを示す図である。
【０００５】
図において、１００は二関節筋モデルとしてのアクチュエータであり、弾性要素１０１及び収縮要素１０２を有し、一端が固定部材１０３に固定されている。また、１０４はアクチュエータ１００の作用端である。ここで、前記弾性要素１０１は、コイルスプリング等のばねから成り、弾性率がｋｓである。また、前記収縮要素１０２は、弾性要素１０１に対してプリテンション（又は、プリロード）を付与する機能を有し、収縮力ｕを発生する。
【０００６】
そして、前記アクチュエータ１００の出力Ｆは、作用端１０４における変位、すなわち収縮量をｘとすると、次の式（１）のようになる。
Ｆ＝ｕ−ｋ（ｕ）ｘ・・・式（１）
なお、ｋ（ｕ）は前記アクチュエータ１００の弾性率であり、弾性要素１０１の収縮力ｕの関数である。
【特許文献１】特開平８−１９９７３号公報
【非特許文献１】藤川智彦、他３名、「拮抗筋群による協調制御機能」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、６３巻６０７号（１９９７−３）、ｐ．７６９−７７６、論文Ｎｏ．９６−１０４０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来のアクチュエータ１００においては、具体的な構成について何ら示されていない。そのため、前記式（１）で示されるような特性のアクチュエータ１００を実際に製作して、二関節アーム装置に適用することができなかった。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、二関節アーム装置において、第２アームの先端の位置、該先端において発揮する力、及び、第２アームの剛性を独立して、正確に、かつ、簡単に制御することができるアクチュエータ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】
【０００９】
そのために、本発明のアクチュエータにおいては、弾性体の一端の位置を制御する手段と、前記弾性体の他端から該弾性体の弾性力をアクチュエータの出力として取り出す手段と、収縮力を発生する旨の指令を受ける手段とを有し、前記弾性体の一端の変位を前記収縮力に応じて制御することによって、任意に設定された前記収縮力と収縮変位に応じて変化する弾性力とを合成した出力特性を有する。
【００１０】
本発明の他のアクチュエータにおいては、さらに、前記弾性体の弾性力をアクチュエータの出力として取り出す手段は、梃子（てこ）である。
【００１１】
本発明の更に他のアクチュエータにおいては、さらに、前記弾性体は非線形特性を備え、アクチュエータの弾性率を変化させることができる。
【００１２】
本発明の更に他のアクチュエータにおいては、さらに、前記弾性体の変位量と前記弾性体の一端の位置を計測する手段を有し、任意に設定された前記出力特性と任意に設定された前記収縮力とに応じて弾性体の一端の位置を制御することによって、前記出力特性を任意に設定する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、二関節アーム装置において、第２アームの先端の位置、該先端において発揮する力、及び、第２アームの剛性を独立して、正確に、かつ、簡単に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す図である。
【００１６】
図において、１０は本実施の形態におけるアクチュエータであり、例えば、種々の負荷を持ち上げて支持した姿勢のままで、前記負荷を進退させて位置決めする動作を行い、かつ、このような動作において剛性制御を必要とする組み立て搬送ロボット等のロボットやマニュピュレータの二関節アーム装置に使用されるものであるが、いかなる装置においても使用することができるものである。なお、本実施の形態においては、説明の都合上、前記アクチュエータ１０がロボットの二関節アーム装置を駆動させるために使用される場合について説明する。
【００１７】
本実施の形態において、前記アクチュエータ１０は、弾性体としてのばね１１、ラック１２、はすば歯車１３、モータ１４、ウォームギヤ１５、ポテンショメータ２１ａ、ポテンショメータ２１ｂ、梃子２２、モータドライバ２３及び外部制御装置２４を有する。前記ばね１１は、一端の面としてのＡ端面がラック１２と連結されている。また、他端の面としてのＢ端面が梃子２２に固定されている。ここで、前記ばね１１は、弾性を有する材質であれば、金属以外の材質から成るものであってもよく、例えば、合成樹脂から成るものであってもよい。そして、前記ばね１１は、図１に示される例においては、コイルばねであり、コイルの軸心が前記梃子２２の前面（図１における右側面）に対して垂直に延在するように配設されている。そして、前記ラック１２が平行移動することによって、ばね１１のＡ端面の位置が変化するようになっている。
【００１８】
また、前記梃子２２は、図示されない固定部材に固定された回転軸２２ａに回転可能に取り付けられている。そして、前記梃子２２の回転軸２２ａを挟んで一端（図１における上端）には前記ばね１１のＢ端面が固定され、他端（図１における下端）にはアクチュエータ出力部２２ｂが設定されている。これにより、前記梃子２２がアクチュエータ１０の出力機構として機能し、前記ばね１１のＢ端面から梃子２２に加えられる力は、アクチュエータ出力部２２ｂにおいて反対方向の力として出力される。
【００１９】
そして、前記ラック１２は、図示されない固定部材に固定されたガイド部材に沿って、図１における左右方向にスライド可能に取り付けられ、前記はすば歯車１３と噛（か）み合っている。なお、前記ラック１２において噛み合い歯は、前記はすば歯車１３側の面、すなわち、図１における上側面に形成されている。
【００２０】
また、前記はすば歯車１３は、図示されない固定部材に固定された回転軸１３ａに回転可能に取り付けられている。そして、前記はすば歯車１３は、図１における下側の部分において前記ラック１２と噛み合うとともに、図１における上側の部分において前記ウォームギヤ１５と噛み合っている。この場合、前記はすば歯車１３は、ウォームホイールとして機能し、ウォームギヤ１５によって、回転軸１３ａを中心として回転させられる。
【００２１】
ここで、前記ウォームギヤ１５は、前記モータ１４の回転軸１４ａに取り付けられて、回転させられるようになっている。なお、前記モータ１４の回転軸１４ａ及びウォームギヤ１５は、図１において左右方向に延在する軸の回りに回転する。これにより、前記モータ１４によってウォームギヤ１５が回転させられると、該ウォームギヤ１５に噛み合っているはすば歯車１３が回転させられ、さらに、該はすば歯車１３に噛み合っている前記ラック１２が図１における左右方向に移動させられる。
【００２２】
そして、前記モータ１４は、図示されない固定部材に固定され、前記モータドライバ２３からの駆動電流によって駆動され、回転軸１４ａを所定の方向に所定の速度で回転させるようになっている。なお、前記モータ１４は、例えば、ＤＣモータであるが、いかなる種類のモータであってもよい。そして、前記モータドライバ２３は、前記モータ１４に駆動電流を供給する一種の電源装置であり、外部制御装置２４から受信した制御信号に基づいて、所定の駆動電流を供給するようになっている。また、前記外部制御装置２４は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、キーボード、マウス、タッチパネル等の入力手段、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）ディスプレイ等の表示手段、通信インターフェイス等を備える一種のコンピュータであり、前記アクチュエータ１０の動作を統括的に制御する装置である。そして、前記外部制御装置２４は、あらかじめ組み込まれたプログラム又は入力手段から入力されたオペレータの指令に従って、前記モータドライバ２３に制御信号を送信して、前記モータ１４を駆動させる。
【００２３】
例えば、前記外部制御装置２４がアクチュエータ１０に収縮させる方向の出力を発生させる収縮指令を送信すると、前記モータ１４が駆動され、該モータ１４の回転軸１４ａ及びウォームギヤ１５が所定方向に回転する。すると、該ウォームギヤ１５に噛み合っているはすば歯車１３が回転させられ、さらに、該はすば歯車１３に噛み合っている前記ラック１２が図１における左方向に移動させられる。そして、前記ばね１１のＡ端面が左方向に移動させられ、Ｂ端面が固定されている前記梃子２２の一端が左方向に移動させられて、前記梃子２２が回転軸２２ａを中心に回転する。これにより、前記梃子２２の他端のアクチュエータ出力部２２ｂが、図１において矢印で示される方向、すなわち、右方向に所定の収縮量ｘだけ移動する。この場合、アクチュエータ１０の発生する出力Ｆの方向も、図１において矢印で示される方向、すなわち、右方向である。
【００２４】
このように、前記ラック１２、はすば歯車１３、モータ１４及びウォームギヤ１５は、弾性体としてのばね１１の一端の位置を制御する手段として機能する。また、梃子２２は、前記ばね１１の他端から該ばね１１の弾性力、すなわち、ばね力をアクチュエータ１０の出力として取り出す手段として機能する。また、モータドライバ２３は収縮力を発生する旨の指令を受ける手段として機能する。
【００２５】
なお、前記ポテンショメータ２１ａは、本体が図示されない固定部材に固定され、作動軸先端が前記ばね１１のＡ端面に取り付けられている。これにより、前記ポテンショメータ２１ａは前記ばね１１のＡ端面の変位を測定することができる。一方、前記ポテンショメータ２１ｂは、本体が前記ばね１１のＡ端面に取り付けられ、作動軸先端が前記ばね１１のＢ端面に取り付けられている。これにより、前記ポテンショメータ２１ｂは前記ばね１１のＢ端面のＡ端面に対する相対的な変位を測定することができる。なお、前記ポテンショメータ２１ａ及びポテンショメータ２１ｂの出力信号は、前記外部制御装置２４に送信される。また、前記ポテンショメータ２１ａ及びポテンショメータ２１ｂを統合的に説明する場合には、ポテンショメータ２１として説明する。そして、該ポテンショメータ２１は、ばね１１の変位量と前記ばね１１の一端の位置を計測する手段として機能する。
【００２６】
次に、前記構成のアクチュエータ１０の動作について説明する。
【００２７】
図３は本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータの出力特性を示す図である。なお、図３において、縦軸にアクチュエータ出力Ｆを、横軸に収縮量ｘを採ってある。
【００２８】
ここでは、前記アクチュエータ１０によって、「背景技術」の項において説明した式（１）、すなわち、
Ｆ＝ｕ−ｋ（ｕ）ｘ・・・式（１）
で示されるような特性を実現する動作について説明する。
【００２９】
この場合、アクチュエータ１０の発生する出力Ｆは、ｕ、ｋ（ｕ）及びｘの関数として表される。ここで、ｕは、アクチュエータ１０に対して外部制御装置２４から指令される収縮要素が発揮すべき収縮力である。また、ｋ（ｕ）は、アクチュエータ１０の弾性率であるが、ここではｋ（ｕ）＝ｋ０（一定）、すなわち、弾性力は一定であるとする。また、ばね１１のばね定数をｋｓとする。なお、前記アクチュエータ１０の収縮量ｘは、アクチュエータ出力部２２ｂが該アクチュエータ出力部２２ｂの原点に対して変位した収縮量として表される。また、前記アクチュエータ出力部２２ｂが原点に位置する場合において、ばね１１が自然長となるようなＡ端面の位置をＡ端面の原点とする。
【００３０】
そして、外部制御装置２４から、収縮要素が収縮力ｕを発揮すべしとの指令が与えられると、前記ばね１１のＡ端面の位置が原点から図１における左方向に次の式（２）だけ移動するように、モータ１４が駆動させられる。
ｒ×ｕ／ｋｓ・・・式（２）
すなわち、前記Ａ端面は、図１における左方向に前記式（２）で示される変位量だけ変位させられる。ここで、ｒは梃子２２のレバー比である。
【００３１】
そして、前記Ａ端面が原点から図１における左方向に前記式（２）で示される変位量だけ変位した場合に、前記アクチュエータ出力部２２ｂが原点に位置していると、すなわち、収縮量ｘ＝０であると、ばね１１のＢ端面の位置も変位していないので、前記ばね１１の撓（たわ）み量δは、Ａ端面の変位量に等しい。すなわち、次の式（３）のようになる。
δ＝ｒ×ｕ／ｋｓ・・・式（３）
この状態において、前記ばね１１が発生する弾性力としてのばね力は、撓み量δにばね定数ｋｓを乗じた値となるので、前記式（３）にｋｓを乗じ、次の式（４）のようになる。
δ×ｋｓ＝ｒ×ｕ／ｋｓ×ｋｓ＝ｒ×ｕ・・・式（４）
そして、アクチュエータ出力部２２ｂにおいてアクチュエータ１０の発生する出力Ｆは、梃子２２の増幅作用によって、前記式（４）で示されるばね力に梃子２２のレバー比ｒの逆数を乗じた値となるので、次の式（５）のようになる。
Ｆ＝ｒ×ｕ／ｒ＝ｕ・・・式（５）
一方、前記アクチュエータ出力部２２ｂにおける変位量、すなわち、図１における収縮量ｘが梃子２２を介してばね１１のＢ端面に伝達されるので、該Ｂ端面の変位量は、収縮量ｘにレバー比ｒの逆数を乗じた値となるので、次の式（６）のようになる。
ｘ／ｒ・・・式（６）
また、前記ばね１１のＡ端面の位置を原点から図１における左方向に前記式（２）で示される変位量だけ変位させられた位置に固定すると、ばね１１の撓みδは、前記式（２）で示されるＡ端面の変位量から前記式（６）で示されるＢ端面の変位量を減じた値となるので、次の式（７）のようになる。
δ＝ｒ×ｕ／ｋｓ−ｘ／ｒ・・・式（７）
この状態において、前記ばね１１が発生するばね力は、撓み量δにばね定数ｋｓを乗じた値となるので、前記式（７）にｋｓを乗じ、次の式（８）のようになる。
δ×ｋｓ＝ｒ×ｕ−ｋｓ×ｘ／ｒ・・・式（８）
そして、アクチュエータ出力部２２ｂにおいてアクチュエータ１０の発生する出力Ｆは、梃子２２の増幅作用によって、前記式（８）で示されるばね力に梃子２２のレバー比ｒの逆数を乗じた値となるので、次の式（９）のようになる。
Ｆ＝ｕ−ｋｓ／ｒ2 ×ｘ・・・式（９）
この場合、前記アクチュエータ１０の弾性率ｋ０は、次の式（１０）のようになる。
ｋ０＝ｋｓ／ｒ2 ・・・式（１０）
すなわち、前記アクチュエータ１０の弾性率ｋ０は、ばね１１のばね定数ｋｓを梃子２２のレバー比ｒの２乗で除した値であることが分かる。
【００３２】
そして、前記式（９）から、前記収縮力ｕを一定にすると、アクチュエータ１０の発生する出力Ｆは、アクチュエータ出力部２２ｂにおける変位量としての収縮量ｘの一次関数となることが分かる。したがって、図３に示されるように、前記収縮力ｕをｕ１、ｕ２及びｕ３となるように設定すると、それぞれの収縮力ｕに対応して、出力Ｆが収縮量ｘの一次関数となるリニアな特性を有するアクチュエータ１０を実現することができる。なお、前記収縮力ｕの値は、図３に示されるような三段階に限らず、任意の数の段階に設定することができる。
【００３３】
このように、本実施の形態において、アクチュエータ１０は、ばね１１の一端の変位を収縮力に応じて制御することによって、任意に設定された収縮力と収縮変位に応じて変化する弾性力とを合成した出力特性を有する。すなわち、ばね１１のＡ端面の位置を外部制御装置２４から指令された収縮力ｕに応じて制御するという簡易な制御によって、図３に示されるように、出力Ｆが収縮量ｘの一次関数となるリニアな特性を有するアクチュエータ１０を実現することができる。
【００３４】
そして、本実施の形態においては、ウォームギヤ１５及び該ウォームギヤ１５に噛み合っているはすば歯車１３を介して、ばね１１のＡ端面を移動させるようになっているので、ウォームギヤ１５及び該ウォームギヤ１５に噛み合っているはすば歯車１３の備えるセルフロック機能によって、前記ばね１１のＡ端面の位置を容易に固定することができる。なお、前記セルフロック機能とは、ウォームギヤ１５を回転させてはすば歯車１３を回転させることはできても、はすば歯車１３を回転させてウォームギヤ１５を回転させることはできないので、ウォームギヤ１５を回転させない限り、はすば歯車１３の回転がロックされる機能である。
【００３５】
また、アクチュエータ１０の発生する出力Ｆは、ばね１１のＢ端面の位置をポテンショメータ２１により測定することによって得られるばね１１の撓み量に基づいて、検出することができる。
【００３６】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００３７】
図４は本発明の第２の実施の形態におけるアクチュエータの出力特性を示す図である。なお、図４において、縦軸にアクチュエータ出力Ｆを、横軸に収縮量ｘを採ってある。
【００３８】
前記第１の実施の形態におけるアクチュエータ１０は、出力Ｆが収縮量ｘの一次関数となるリニアな特性、すなわち、線形特性を有する。これに対して、本実施の形態においては、出力Ｆと収縮量ｘとの関係が非線形である、すなわち、非線形特性を有するアクチュエータ１０を実現する。
【００３９】
本実施の形態においては、ばね１１として、撓み−張力特性において非線形特性を示すものを使用する。撓み−張力特性において非線形特性を示すばねとしては、例えば、不等ピッチコイルばね、テーパコイルばね等であるが、いかなる種類のものであってもよい。これにより、図４に示されるような非線形な特性を得ることができる。
【００４０】
そして、本実施の形態におけるアクチュエータ１０で、ばね１１のＡ端面の位置を原点に固定した場合の特性が図４における曲線１で表されるときに、前記ばね１１のＡ端面の位置を収縮力ｕに応じて変化させると、特性曲線は図４における横軸の負方向に移動する。なお、各特性曲線の縦軸との交点は収縮力ｕを示している。
【００４１】
このように、本実施の形態において、ばね１１は非線形特性を備え、アクチュエータ１０の弾性率を変化させることができる。すなわち、アクチュエータ１０の動作点の近傍における弾性率ｋ（ｕ）は、動作点における特性曲線の接線の傾きと考えることができ、アクチュエータ１０の弾性率ｋ（ｕ）を変化させることができる。
【００４２】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００４３】
図５は本発明の第３の実施の形態におけるばね全長を測定する方法を示す図、図６は本発明の第３の実施の形態におけるアクチュエータの出力特性を示す図である。なお、図６において、縦軸にアクチュエータ出力Ｆを、横軸に収縮量ｘを採ってある。
【００４４】
本実施の形態においては、ばね１１のＡ端面の変位、及び、ばね１１のＢ端面のＡ端面に対する相対的な変位、すなわち、ばね１１の全長の変化を測定して所望の特性のアクチュエータ１０を実現する動作について説明する。この場合、ポテンショメータ２１ａは、本体が固定部材に固定され、作動軸先端が前記ばね１１のＡ端面に取り付けられているので、前記ばね１１のＡ端面の変位を測定することができる。一方、前記ポテンショメータ２１ｂは、本体が前記ばね１１のＡ端面に取り付けられ、作動軸先端が前記ばね１１のＢ端面に取り付けられているので、前記ばね１１のＢ端面のＡ端面に対する相対的な変位を測定することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態においては、説明を簡素化するために、梃子２２のレバー比ｒの値が１であるとして説明する。前記レバー比ｒの値が１でない場合には、前記レバー比ｒによる補正が必要であるが、前記レバー比ｒの値がいかなる数値であっても本質的な違いはない。
【００４６】
図５において、ばね１１の全長をＬ、ばね１１の自然長をＬ０、ばね１１のばね定数をｋｓとする。この場合、前記ばね１１の撓みδは、次の式（１１）のようになる。
δ＝Ｌ０−Ｌ・・・式（１１）
そして、前記ばね１１のばね力Ｆｓは、撓み量δにばね定数ｋｓを乗じた値である。また、梃子２２のレバー比ｒの値が１であるので、前記ばね１１のばね力Ｆｓはアクチュエータ出力Ｆに等しい。そのため、次の式（１２）のようになる。
Ｆ＝Ｆｓ＝ｋｓ×δ＝ｋｓ×（Ｌ０−Ｌ）・・・式（１２）
ここで、Ｌ０、ｋｓは既知であるのでその説明を省略する。なお、Ｌはポテンショメータ２１ｂによって測定される。
【００４７】
ところで、本実施の形態においても、アクチュエータ１０は、「背景技術」の項において説明した式（１）、すなわち、
Ｆ＝ｕ−ｋ（ｕ）ｘ・・・式（１）
で示されるような特性を実現するようになっている。そこで、前記式（１）及び式（１２）が互いに等しいので、次の式（１３）のような関係を得ることができる。
ｕ−ｋ（ｕ）×ｘ＝ｋｓ×（Ｌ０−Ｌ）・・・式（１３）
また、ばね１１のＡ端面の変位量をｘａとすると、図５に示される例において、Ｌは次の式（１４）のようになる。
Ｌ＝Ｌ０＋ｘ−ｘａ・・・式（１４）
そして、式（１４）から収縮量ｘは次の式（１５）のようになる。
ｘ＝Ｌ−Ｌ０＋ｘａ・・・式（１５）
したがって、式（１５）で示される収縮量ｘを前記式（１３）に代入すると、次の式（１６）を得ることができる。
ｘａ＝（ｕ−（ｋ（ｕ）−ｋｓ）×（Ｌ−Ｌ０））／ｋ（ｕ）・・・式（１６）
このように、本実施の形態においては、任意に設定された出力特性と任意に設定された収縮力とに応じてばね１１の一端の位置を制御することによって、前記出力特性を任意に設定することができる。すなわち、ばね１１のＡ端面の変位量ｘａが前記式（１６）によって計算される値となるように、ばね１１のＡ端面の位置を制御することによって任意の弾性係数ｋ（ｕ）を有するアクチュエータ１０を実現することができる。
【００４８】
なお、前記第１の実施の形態においては、ばね１１の全撓み量がアクチュエータ１０の全収縮量となるが、本実施の形態においては、ばね１１の全撓み量以上の収縮量を実現することもできるため、アクチュエータ１０をより小型化することが可能となる。また、ばね１１の弾性率ｋｓより大きなアクチュエータ１０の弾性率ｋ（ｕ）を作り出すことも可能である。この場合、例えば、弾性率ｋ（ｕ）が収縮力ｕに比例する場合の特性曲線は図６に示されるようになる。
【００４９】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００５０】
図７は本発明の第４の実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す図である。
【００５１】
本実施の形態においては、梃子２２に代えて、端板２６がばね１１のＢ端面に固定されている。そして、前記端板２６に線状体２５の一端が固定され、該線状体２５の他端がアクチュエータ出力部２５ａとして機能する。なお、前記線状体２５は、例えば、スチールワイヤ、チェーン、ロッド等であるが、いかなるものであってもよい。なお、その他の点の構成に関しては、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５２】
本実施の形態においては、梃子２２を使用することなく、ばね１１のＢ端面からの力の方向を変えて、反対方向の力として出力されるようにすることができる。
【００５３】
また、はすば歯車１３に代えて、ラック１２と噛み合うピニオンギヤを使用し、該ピニオンギヤをモータ１４で回転させることによってラック１２を移動させ、ばね１１のＡ端面の位置を制御するようにしてもよい。さらに、ラック１２、はすば歯車１３、モータ１４及びウォームギヤ１５に代えて、空圧シリンダ装置、リニアモータ式アクチュエータ等の直動型アクチュエータを使用して、該直動型アクチュエータによりばね１１のＡ端面を直接押すことによって、該ばね１１のＡ端面の位置を制御するようにしてもよい。さらに、ばね１１は、変位量を測定することができるものであれば、コイルばね以外のばね、例えば、トーションバー等であってもよい。
【００５４】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す図である。
【図２】従来のアクチュエータのモデルを示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータの出力特性を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態におけるアクチュエータの出力特性を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態におけるばね全長を測定する方法を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態におけるアクチュエータの出力特性を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０    アクチュエータ
１１    ばね
１２    ラック
１３    はすば歯車
１４    モータ
１５    ウォームギヤ
２１、２１ａ、２１ｂ    ポテンショメータ
２２    梃子
２３    モータドライバ
【図１】
2005096020.tif 000003
【図２】
2005096020.tif 000004
【図３】
2005096020.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005096020.tif 000007
【図６】
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【図７】
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