(57)【要約】【課題】  小形かつ簡素な構成で長いストロークを得ることのできるアクチュエータを提供する。【解決手段】  電界又は磁界を与えることで粘性が変化する機能性流体を用いたアクチュエータ１において、振動発生手段１１と、この振動発生手段１１の振動を伝達する伝達手段１２と、この伝達手段１２に移動自在に嵌装された移動体１３と、伝達手段１２と移動体１３との間に充填された機能性流体１４と、記振動発生手段１１による伝達手段１２の一方向への振動周期と前記電界又は前記磁界の印加周期とを同期させる同期手段１７とを有し、振動発生手段１１による一方向の振動周期に同期させて機能性流体１４に電界又は磁界を印加することで、移動体１３を一方向に移動させるように構成した。【選択図】  図１
2013150482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界又は磁界を与えることで粘性が変化する機能性流体を用いたアクチュエータにおいて、
振動発生手段と、
この振動発生手段の振動を伝達する伝達手段と、
この伝達手段に移動自在に嵌装された移動体と、
前記伝達手段と前記移動体との間に充填された前記機能性流体と、
前記振動発生手段による前記伝達手段の一方向への振動周期と前記電界又は前記磁界の印加周期とを同期させる同期手段と、
を有し、
前記振動発生手段による一方向の振動周期に同期させて前記機能性流体に電界又は磁界を印加することで、前記移動体を一方向に移動させること、
を特徴とする機能性流体を用いたアクチュエータ。
【請求項２】
前記振動発生手段が直線方向に往復振動を発生させ、前記移動体が前記伝達手段に沿って直線方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の機能性流体を用いたアクチュエータ。
【請求項３】
前記振動発生手段が回転方向に往復振動を発生させ、前記移動体が前記伝達手段を中心に回転方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の機能性流体を用いたアクチュエータ。
【請求項４】
前記機能性流体が電気粘性流体又は磁気粘性流体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の機能性流体を用いたアクチュエータ。
【請求項５】
前記電界又は前記磁界の印加周期を、前記振動発生手段の一方向の振動周期への同期から他方向への振動周期への同期に切り換える切換手段をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の機能性流体を用いたアクチュエータ。
【請求項６】
前記電界又は前記磁界の強度を調整する強度調整手段、前記電界又は前記磁界の印加周期を前記振動発生手段の振動周期に対して進角調整又は遅延調整する位相調整手段、前記電界又は前記磁界の印加パルス幅を調整するパルス幅調整手段のうちの少なくとも一つを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の機能性流体を用いたアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界又は磁界を与えることで粘性が変化するＭＲ流体やＥＲ流体等の機能性流体を用いたアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲ流体やＥＲ流体等の機能性流体は、電界や磁界を印加することで、印加した部分の見かけ上の粘性が変化する性質を有する。
このような機能性流体の性質を利用し、移動対象物との界面の状態を変化させることで前記移動対象物を移動させるアクチュエータが種々提案されている。
例えば、特許文献１に記載のアクチュエータは、磁性流体の流路に対し直交する磁束が生じるように、電磁石の鉄心を前記流路に沿って複数配設し、電磁石による磁界の印加位置を移動させることにより固体化した磁性流体のクラスタを移動させることで駆動力を得る駆動装置が提案されている。
また、前記機能性流体の性質をダンパやロック機構として利用することも提案されており、例えば特許文献２に記載の操作アクチュエータでは、磁界を磁性粘性流体に付与することで磁性流体が固形化することを利用して、自動車用クラッチを切った状態でロックするための固定手段に適用することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３３３５６８号公報
【特許文献２】特開２００４−１３８１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の駆動装置は、複数の電磁石を磁性流体の流路に沿って複数設ける必要があり、駆動装置が大型化するという問題がある。
また、特許文献２の操作アクチュエータでは、機能性流体は固定手段としてしか利用されていない。さらに、移動体の進退移動は別体の駆動体によって行われているため、移動体のストロークが駆動体のストロークによって規制されるという問題がある。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、小形かつ簡素な構成で長いストロークを得ることのできるアクチュエータの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１に記載のアクチュエータは、電界又は磁界を与えることで粘性が変化する機能性流体を用いたアクチュエータにおいて、振動発生手段と、この振動発生手段の振動を伝達する伝達手段と、この伝達手段に移動自在に嵌装された移動体と、前記伝達手段と前記移動体との間に充填された前記機能性流体と、前記振動発生手段による前記伝達手段の一方向への振動周期と前記電界又は前記磁界の印加周期とを同期させる同期手段と、を有し、前記振動発生手段による一方向の振動周期に同期させて前記機能性流体に電界又は磁界を印加することで、前記移動体を一方向に移動させるように構成されている。
この構成によれば、往復振動を発生させる振動発生手段の一方向のみの振動と、電界又は磁界の印加タイミングと同期させることで、移動体を一方向に移動させることが可能になる。
【０００６】
前記振動発生手段は、請求項２に記載するように直線方向に振動を発生させるものであってもよいし、請求項３に記載するように回転方向に振動を発生させるものであってもよい。
振動発生手段として直線方向に振動を発生させるものを用いれば、移動体は直線方向に移動し、回転方向に振動を発生させるものを用いれば、移動体は回転する。
【０００７】
前記機能性流体としては、請求項４に記載するようにＥＲ流体
（Electrorheological Fluid：電気粘性流体）又はＭＲ流体（Magneto−Rheological Fluid：磁気粘性流体）を用いることができる。
また、請求項５に記載するように、前記電界又は磁界の印加周期を、前記振動発生手段の一方向の振動周期への同期から他方向への振動周期への同期に切り換える切換手段を設けることで、一方向への移動を他方向への移動に切り換えることが可能になり、前進後退や正転逆転を切り換えることにより自由な動作をさせることができる。
さらに多様な動作を行わせるためには、請求項６に記載するように、前記電界又は前記磁界の強度を調整する強度調整手段、前記電界又は前記磁界の印加周期を前記振動発生手段の振動周期に対して進角調整又は遅延調整する位相調整手段、前記電界又は前記磁界の印加パルス幅を調整するパルス幅調整手段のうちの少なくとも一つを設けるとよい。
電界又は磁界の強度を強弱調整することで、移動体の推進力を強弱調整することができる。また、印加周期を進角又は遅延させることで、移動体の移動方向を変えたり、移動速度を調整したりすることが可能になる。また、パルス幅を調整することで、移動体の移動速度を調整することが可能になる。さらに、このような調整を複数組み合わせることで、移動体の移動形態を多様に調整することが可能になる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は上記のように構成されているので、小形かつ簡素な構成で長いストロークのアクチュエータを得ることができる。そのため、例えば人型ロボットの関節部分のアクチュエータとして用いることができる。また、本発明のアクチュエータをダンパー機構やロック機構として利用することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明のアクチュエータの第一の実施形態にかかり、（ａ）はその構成を説明する概略図、（ｂ）は制御装置１７からの出力の一例を説明する図である。
アクチュエータ１は、前後の直線方向に振動を発生させる振動発生手段としての直線振動モータ１１と、この直線振動モータ１１の駆動軸１１ａの出力を伝達する棒状の伝達軸１２と、この伝達軸１２に進退移動自在に外嵌された筒状の移動体１３と、移動体１３の外周面に取り付けられた電界又は磁界の発生器１６（以下、「発生器１６」と記載する）と、この発生器１６及び直線振動モータ１１に駆動信号を出力する制御装置１７とを有している。
【００１０】
移動体１３の内周面と伝達軸１２の外周面との間には隙間が形成されていて、この隙間に機能性流体１４が充填される。機能性流体１４としては、例えば、ＥＲ流体（Electrorheological Fluid：電気粘性流体）やＭＲ流体（Magneto−Rheological Fluid：磁気粘性流体）を用いることができる。
前記隙間は、移動体１３の両端でパッキン１３ａによって封止され、充填された機能性流体１４が漏出しないようになっている。なお、パッキン１３ａは、移動体１３の移動を妨げないように、移動体１３との間で可能な限り摩擦が小さいものを選択する。
【００１１】
直線振動モータ１１は、直線方向の前後（図１（ａ）において左右）に振動を発生させることができるものであれば、市販のものを用いることができる。
発生器１６は、機能性流体１４の粘性を変化させるための電界又は磁界を発生できるものであればよく、その形態は問わない。電界の発生手段としては電圧の印加を挙げることができ、磁界の発生手段としてはコイルを挙げることができる。また、発生器１６は、機能性流体１４の全部の粘性を変化させることのできるものであってもよいし、一部の粘性を変化させるものであってもよい。
さらに、この実施形態のように、発生器１６を移動体１３の外周面に取り付けて移動体１３とともに移動できるようにすれば、伝達軸１２の長さに応じて移動体１３のストロークを長くすることができる。
【００１２】
制御部１７は、直線振動モータ１１の振動に同期させて発生器１６への駆動信号を出力する同期制御部１７ａと、この同期制御部１７ａの発生器１６側の信号出口に設けられた切換スイッチ１７ｂとを有する。
同期制御部１７ａでは、駆動軸１１ａの前進方向の移動に同期させて発生器１６のスイッチをＯＮにする同期信号（Ｉ）と、駆動軸１１ａの後退方向の移動に同期させて発生器１６のスイッチをＯＮにする同期信号(II)とが生成され、切換スイッチ１７ｂによってこの二つの同期信号（Ｉ）(II)のうちのいずれかが選択されて発生器１６に出力される。
【００１３】
図１（ｂ）の例では、直線振動モータ１１が駆動を開始すると同時に同期信号（Ｉ）が出力される。この同期信号（Ｉ）により、駆動軸１１ａ及び伝達軸１２が前進するタイミングで発生器１６によって電圧又は磁界が印加され、電界又は磁界が付与された部分の機能性流体１４の粘性が高くなる。これにより、移動体１３が伝達軸１２に追随して前方に移動する。また、駆動軸１１ａ及び伝達軸１２が後退するときには、発生器１６による電圧又は磁界の印加が解除されて機能性流体１４の粘性が低くなる。この繰り返しにより、移動体１３が伝達軸１２に沿って前方に移動する。
切換スイッチ１７ｂを切り換えることで制御装置１７からの出力が同期信号（II）に切り換えられると、上記とは逆の動作により移動体１３が伝達軸１２に沿って後方に移動する。
【００１４】
［第二の実施形態］］
図２は、本発明のアクチュエータの第二の実施形態にかかり、（ａ）はその構成を説明する概略図、（ｂ）は制御装置２７からの出力の一例を説明する図である。
この実施形態において直線振動モータ１１、伝達軸１２、移動体１３、パッキン１３ａ、機能性流体１４及び発生器１６等は第一の実施形態と同じものであるので、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００１５】
この実施形態において制御装置２７は、直線振動モータ１１の駆動信号及び発生器１６の駆動信号を出力する信号生成部２７ａと、この信号生成部２７ａの発生器１６側の信号出口に設けられ、発生器１６に出力する電界や磁界の強さを調整する強度調整部２７ｂと、駆動信号のパルス幅（図２（ｂ）中符号ｓで示す幅）を、直線振動モータ１１に出力する駆動信号の半波長の範囲内で調整するパルス幅調整部２７ｃと、発生器１６への駆動信号の出力タイミング（図２（ｂ）中の符号ｈで示す間隔）を調整する位相調整部２７ｄとを有する。
【００１６】
強度調整部２７ｂは、発生器１６に出力する電界や磁界の強さを調整することで、移動体１３の推進力を強弱調整することができる。また、パルス幅調整部２７ｃは、発生器１６に出力する電界や磁界のパルス幅を調整することで、移動体１３の移動速度を増減したり動きを滑らかにしたりすることができる。さらに、位相調整部２７ｄは、発生器１６に出力する電界や磁界の印加タイミングを調整することで、移動体１３の進行方向を切り換えたり、移動速度を増減したりすることができる。
なお、この実施形態では、直線振動モータ１１による伝達軸１２の一方向又は他方向への振動周期と電界又は磁界の印加周期との同期制御は、位相調整部２７ｄで行うことができる。
【００１７】
図２（ｂ）は、位相調整部２７ｄを使った出力の一例にかかり、位相調整部２７ｄを使って出力タイミングを種々に変化させた例を示している。図示するように、発生器１６への駆動信号の出力タイミングを変化させることで、直線振動モータ１１への駆動信号の出力タイミングとの関係が変化し、移動体の移動速度を変化させることができる。また、移動方向も前進又は後退との間で変化させることができる。
【００１８】
図３は、本発明のアクチュエータの第三の実施形態にかかり、その構成を説明する概略図である。
この実施形態のアクチュエータ３の基本的な構成は第一の実施形態のアクチュエータ１と同じであるため、同一部位、同一部材には同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
このアクチュエータ３は、ロボットの関節部分等に利用可能なもので、ダンパとしての機能も併せ持つ。
【００１９】
アクチュエータ３は、シリンダ３８の中に、直線振動モータ１１、駆動軸１１ａ、伝達軸１２及び移動体３３を嵌装して形成されており、シリンダ３８の基部と移動体３３の先端にロボットのアームや脚に連結される連結部３８ａ，３３ａが形成されている。
移動体３８は有底筒状に形成され、その外周面には、移動体３８の全長にわたって発生器３６が取り付けられていて、この発生器３６とともにシリンダ３８の内周面に案内されながら直線方向に進退移動自在である。伝達軸１２は移動体３８の中に挿入され、伝達軸１２の外周面と移動体３８の内周面との間には機能性流体１４が充填されている。
【００２０】
例えば、ロボットの脚関節部に上記構成のアクチュエータ３を用いた場合、ロボットの歩行時に地面から伝えられる衝撃は、電界又は磁界を付与することで粘性を増大させた機能性流体１４によって柔らげられる。アクチュエータ３は、地面からの衝撃を機能性流体１４の粘性及び移動体３３の後退により吸収しつつ、直線振動モータ１１の振動によって移動体３３を前進方向に移動させることで、脚を蹴り出す方向に移動させる。
以上の繰り返しにより、より人間に近い動きのロボットを実現することが可能になる。
【００２１】
図４は、本発明のアクチュエータのさらに他の実施形態にかかり、その構成を説明する概略図である。
なお、図４において図１及び図２のアクチュエータと同一部材、同一部分には同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
この実施形態のアクチュエータ４は、正逆方向に回転振動を発生させる振動発生手段としての回転振動モータ４１と、この回転振動モータ４１の駆動軸４１ａの出力を伝達する伝達軸４２と、この伝達軸４２の先端に形成された凹部に内嵌されて伝達軸４２と同軸上で回転自在な円柱状の移動体４３と、伝達軸４２の先端の外側に配置された発生器１６と、この発生器１６及び回転振動モータ４１に駆動信号を出力する制御装置２７とを有している。
【００２２】
この実施形態において信号生成部２７ａでは、駆動軸４１ａの正転方向の回転に同期させて発生器１６のスイッチをＯＮにする同期信号が生成される。
制御装置２７は第二の実施形態の制御装置と同じ構成で、信号生成部２７ａから出力された信号が、強度調整部２７ｂ、パルス幅調整部２７ｃ及び位相調整部２７ｄを経由して発生器１６に出力される。
この実施形態においても、回転振動モータ４１の駆動開始と同時に発生器１６に駆動信号を出力することで、駆動軸４１ａ及び伝達軸４２が回転するタイミングで機能性流体１４に電界又は磁界が印加され、これにより、移動体４３が伝達軸４２とともに回転する。
【００２３】
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の説明に限られない。
例えば、振動発生手段として直線振動モータ１１や回転振動モータ４１を例に挙げて説明したが、駆動軸１１ａ，４１ａを直線方向又は回転方向に往復移動させることができるものであれば、直動シリンダやソレノイド、リニアモータ、ボールねじ・ナット機構、回動シリンダ等を用いることも可能である。
また、第二の実施形態において制御装置２７は、強度調整部２７ｂ及びパルス幅調整部２７ｃを有するものとして説明したが、必ずしもこれらは設けなくてもよい。
さらに、第一〜第三の実施形態では、移動体１３に発生器１６を取り付けているが、移動体１３と別体に発生器１６を設けてもよい。この場合は、発生器１６を移動体の移動方向に沿って複数配置することで、伝達軸１４の長さに応じて移動体１３のストロークを延ばすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明のアクチュエータは、移動体を進退移動させたり、正逆に回転させたりする駆動装置として利用することができる他、ダンパ機構やロック機構としても利用することができる。例えば、人型ロボットの脚関節部分にこのアクチュエータを用いることで、地面からの衝撃を吸収すると同時に、地面を蹴り返す方向に推進力を与えることで、前記人型ロボットを歩行させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明のアクチュエータの第一の実施形態にかかり、（ａ）はその構成を説明する概略図、（ｂ）は制御装置からの出力を説明する図である。
【図２】本発明のアクチュエータの第二の実施形態にかかり、（ａ）はその構成を説明する概略図、（ｂ）は制御装置からの出力を説明する図である。
【図３】本発明のアクチュエータをダンパとして利用した第三の実施形態の構成を説明する概略図である。
【図４】本発明のアクチュエータのさらに他の実施形態にかかり、その構成を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００２６】
１，２          アクチュエータ
１１            直線振動モータ
１１ａ，２１ａ  駆動軸
１２            伝達軸
１３，２３      移動体
１４            機能性流体
１６            発生器
１７，２７            制御装置
１７ａ          同期制御部
１７ｂ          切換スイッチ
２７ａ          信号生成部
２７ｂ          強度調整部
２７ｃ          パルス幅調整部
２７ｄ          位相調整部
４１            回転振動モータ
【図１】
2013150482.tif 000003
【図２】
2013150482.tif 000004
【図３】
2013150482.tif 000005
【図４】
2013150482.tif 000006