(57)【要約】【課題】  確実なブレーキ力の調整が行える、小型軽量のブレーキ装置を提供する。【解決手段】  ブレーキ装置１０内部には、ブレーキパッド１８、誘電エラストマーアクチュエータ１、圧力センサ１９が配置されている。圧力センサ１９は固定部７の位置において、ケース１１内側の底部に埋め込まれて固定され、その表面が底部表面と一致するようになっている。誘電エラストマーアクチュエータ１は、アクチュエータ両面に配置された柔軟電極３、４の電極面が、ケース１１の底部と平行になる向きに配置されている。誘電エラストマーアクチュエータ１は、ケース１１に固定された圧力センサ１９と接する固定部７で、圧力センサ１９を介してケース１１に固定されている。ブレーキパッド１８側には、ブレーキパッド１８と誘電エラストマーアクチュエータ１を固定する固定部２０がある。圧力センサ１９で垂直抗力をモニタすることにより、柔軟電極３、４に印加する電圧を制御して、ベルト状移動体１４に正確なブレーキ力を与える。【選択図】  図８
2013142445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の動きを制動するための電動式ブレーキ装置であって、
前記移動体に押し付けられるブレーキパッドと、前記ブレーキパッドを押し付けるための、電気信号により変形する材料を含む電動アクチュエータと、前記アクチュエータよるブレーキ力をモニタするための圧力センサと、前記圧力センサからの出力を読み取って前記ブレーキ力を決定するコントローラと、前記コントローラによって出力する前記電気信号が制御される電源とからなる
ことを特徴とする電動式ブレーキ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電動式ブレーキ装置であって、
前記電気信号により変形する材料が、前記電気信号によりある一方向に変形した際、それと直交する方向にも変形が生じるような材料である
ことを特徴とする電動式ブレーキ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電動式ブレーキ装置であって、
前記電気信号により変形する材料が、少なくとも一か所で当該電動式ブレーキ装置に固定されており、
当該固定位置の少なくとも一つが、前記電気信号により変形する材料が、電気信号によりある一方向に変形した際、当該方向と直交する面にある
ことを特徴とする電動式ブレーキ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電動式ブレーキ装置であって、
前記固定位置の少なくとも一つが、前記電気信号により変形する材料の、前記ブレーキパッドに対抗する側と反対側の面にある
ことを特徴とする電動式ブレーキ装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電動式ブレーキ装置であって、
前記ブレーキパッドのブレーキ力をモニタするための前記圧力センサが、前記電気信号により変形する材料の、前記ブレーキパッドと対抗する側とは反対側に配置されている
ことを特徴とする電動式ブレーキ装置。
【請求項６】
請求項３に記載の電動式ブレーキ装置であって、
前記ブレーキパッドのブレーキ力をモニタするための前記圧力センサが、前記電気信号により変形する材料の、前記ブレーキパッドと対抗する側とは反対側の、前記固定位置に固定される
ことを特徴とする電動式ブレーキ装置。
【請求項７】
請求項１に記載の電動式ブレーキ装置であって、
前記ブレーキパッドが、前記移動体の移動方向と同じ方向に移動することを抑制する構造を備える
ことを特徴とする電動式ブレーキ装置。
【請求項８】
請求項１に記載の電動式ブレーキ装置であって、
前記移動体が、直線的に移動する移動体である
ことを特徴とする電動式ブレーキ装置。
【請求項９】
請求項１に記載の電動式ブレーキ装置であって、
前記移動体が、回転する移動体である
ことを特徴とする電動式ブレーキ装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の電動式ブレーキ装置であって、
前記回転する移動体を挟む位置に設置された前記ブレーキパッドの前記回転する移動体とは反対側に設置された前記電動アクチュエータの前記ブレーキパッドとは反対側に設置された、固定ディスクを更に有し、
前記回転する移動体と、前記ブレーキパッドと、前記電動アクチュエータと、前記固定ディスクとは、その中央に回転軸を貫通する穴を備えた円盤形状を有し、前記固定ディスクは、前記回転軸に固定されている
ことを特徴とする電動式ブレーキ装置。
【請求項１１】
歩行者の補助を行うための補助装置であって、
歩行補助用のベルトを巻上げるベルト巻上げ装置と、
前記ベルトに押し付けられるブレーキパッドと、前記ブレーキパッドを押し付けるための、電気信号により変形する材料を含む電動アクチュエータと、前記電動アクチュエータによるブレーキ力をモニタするためのセンサとを備える電動式ブレーキ装置と、
前記電動式ブレーキ装置を制御するコントロールボックスを備え、
前記コントロールボックスは、前記ベルト巻上げ装置からのベルト引き出し量に関する信号、及び前記センサからの出力信号に基づき、前記ブレーキ力を決定し、決定した当該ブレーキ力を発生するよう、前記電動アクチュエータに印加する前記電気信号を制御する
ことを特徴とする補助装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の補助装置であって、
前記コントロールボックスは、前記ベルト巻上げ装置からの前記ベルト引き出し量に関する信号と、前記センサからの前記出力信号に基づき、前記ブレーキ力を算出するコントローラと、前記コントローラが算出した前記ブレーキ力に基づき、前記電動アクチュエータに印加する前記電気信号を出力する電源を備える
ことを特徴とする補助装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の補助装置であって、
前記コントローラは、
前記ベルト巻上げ装置からの前記ベルトの引き出し量に関する信号に基づき、前記ベルト引き出し量を出力するベルト引き出し量変換部と、前記ベルト引き出し量に基づき、ベルト引き出し速度を算出するベルト引き出し速度演算部を有する
ことを特徴とする補助装置。
【請求項１４】
歩行者の補助を行うための補助装置であって、
固定ディスクと、前記固定ディスクに対して回転可能な回転ディスクと、前記回転ディスクに押し付けられるブレーキパッドと、前記ブレーキパッドを押し付けるための、電気信号により変形する材料を含む電動アクチュエータと、前記電動アクチュエータよるブレーキ力をモニタするためのセンサとを備える電動式ブレーキ装置と、
前記電動式ブレーキ装置を制御するコントロールボックスを備え、
前記コントロールボックスは、前記電動式ブレーキ装置からの前記回転ディスクの回転角度に関する信号、及び前記センサからの出力信号に基づき、前記ブレーキ力を決定し、決定した当該ブレーキ力を発生するよう、前記電動アクチュエータに印加する前記電気信号を制御する
ことを特徴とする補助装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の補助装置であって、
前記回転ディスク及び前記固定ディスクはそれぞれアームを有し、
前記回転ディスク及び前記固定ディスクの前記アームはそれぞれ、歩行者の大腿部に固定される大腿ベルト、および膝下に固定される膝下ベルトに固定可能である
ことを特徴とする補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動式ブレーキ装置に係り、特に人の動作や作業を補助するために使用するアシスト機器へ適用されるブレーキ技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
筋力の衰えた高齢者や傷病者の筋力を補助するために、人に装着してその力を補助する器具や装置が開発されている。こうした器具や装置は、筋力の衰えた人に限らず、筋肉に負担をかける作業を行う健常者にとっても、その作業を軽減する目的に使用することができる。最も単純な補助器具としては、サポーターやゴムベルト等を利用して筋肉と同方向の補助力を得るものがある。しかし、このようなパッシブな力を利用したものでは、常に装着者に力がかかっていて目的作業以外の動作に支障が出たり、姿勢によってその力の大きさが決まってしまったりする。そのため、より適切な補助力を与えるために、電動アクチュエータを利用した筋力補助装置がある。
【０００３】
たとえば特許文献１に記されているように、下肢に装着するフレームの関節位置に電動モータを配置し、膝や股関節の角度を変えるように動作するものである。このような装置であれば、大きな出力が可能であるために、筋力補助の効果は十分にある一方、電動モータが重いためフレームも堅牢になる結果、全体として装着するには重い。
【０００４】
一方、軽量なアクチュエータとして期待される電気活性ポリマーを利用したブレーキも提案されている。摩擦力を発生させるために、電気活性ポリマーからなるアクチュエータで、動作するものとしての移動体に摩擦材であるブレーキパッドを押し付ける構成のものである。電気活性ポリマーとは、電気刺激によってその形状を変化させる材料で、電気活性ポリマーからなるアクチュエータは、この材料の変形をアクチュエータとして利用するものである。電気活性ポリマーとしては、導電性高分子、イオン導電性高分子、ゲル、誘電エラストマーからなるものなどが知られている。なかでも、誘電エラストマーを利用したアクチュエータは、応答速度、変形量、発生応力、エネルギー変換効率が高いことが知られている（非特許文献１、非特許文献２参照）。この誘電エラストマーを利用したブレーキとしては、小型かつ高効率で十分な制動力を得られる車両用のブレーキ（特許文献２参照）や、ブレーキ力の提示で触覚を与える触覚装置のなかに使ったものなどがある（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００９／０８１７１０号公報
【特許文献２】特許第４０６８０１３号公報
【特許文献３】特表２００３−５３４６２０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２８７号５４５４巻８３６頁（２０００年）
【非特許文献２】Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅ  Ｒａｐｉｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ３１号１０頁（２０１０年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の装置の場合、大きな出力が可能であるために、筋力補助の効果は十分にある一方、全体として装着するには重くなってしまう問題がある。また、モータは回転出力のため、暴走して回転し続けた場合や、出力が大きすぎる場合などには装着者の身体に影響を及ぼす可能性がある。
【０００８】
一方、モータを使って積極的に筋力を補助する装置よりも筋力補助の適用シーンは減るものの、電動式の減速器を使った筋力補助装置は、装着者に過度な力がかからず、より安全に使用できると考えられる。こうした装置は重力に対して体を支えるための筋力の補助として特に効果的と期待される。たとえば、膝周辺の筋力が衰えた人は階段の下降時、自らの筋力のみで自重を支えきれず、足を着地させる速度を十分減速させることができない。そのため、着地した際、足に衝撃が加わり膝を痛める原因になる。そのため、減速器を使った筋力補助装置のようなものがあれば、ゆっくりと足を下ろすように補助することができる。
【０００９】
このような用途の電動式ブレーキは、装着することを考えると軽量であることが必須である。ブレーキの基本的な機能は、動作するものである移動体に負の力を与えて運動を制動するものである。力の種類として、（１）摩擦力、（２）流体の抵抗力、（３）電磁気力がある。最も一般的なのが（１）の摩擦力を利用するブレーキで、移動体に摩擦材であるブレーキパッドを押しつけて摩擦力を発生させる。ブレーキパッドを押し付けるための方式に、油圧式、機械式、電磁式などがある。油圧式は力が強いものの、配管の必要があり、応答性が悪い。機械式では部品点数が多いため、結果的に重量がかさむことになる。電磁式は電磁石を利用するため、コイル重量が大きく重いものになる。（２）の流体の抵抗力を用いるブレーキでは、電気的に流体の粘性が変化する、磁性流体や電気粘性流体という特殊な液体を使用する。小さいシステムでブレーキを構成できるという利点があるが、多くは流体として微粒子を分散させた液体を用いており、微粒子の沈殿や凝集による性能の変化の可能性がある。また、液体を封じて使用するため、液漏れなどの問題も考えられる。（３）の電磁気力を用いるブレーキでは、渦電流による力を利用するが、装置の構造が大きくなり、装着用途には不向きである。
【００１０】
特許文献２、３で提案されているブレーキ構造では、電気活性ポリマーに電気信号を与えて変形させ、その変形によって摩擦材を制動体に押し付け制動する構成になっている。しかし、摩擦によって発生する熱によって、電気活性ポリマーの物性は変化する。電気活性ポリマーの材料であるエラストマーや樹脂は、金属やセラミックといった材料に比べ熱膨張率が大きい。また、弾性率の温度変化も同様に大きい。こうした材料自体の物性の変化は、ブレーキ力にも変化を生じさせる。そのため、ブレーキ力を的確にモニタして、フィードバックする仕組みを組み込むことが課題となる。
【００１１】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、ブレーキ力の正確な調整が行える、小型軽量の電動式ブレーキ装置、及び補助装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明においては、移動体の動きを制動するための電動式ブレーキ装置であって、移動体に押し付けられるブレーキパッドと、ブレーキパッドを押し付けるための、電気信号により変形する材料を含む電動アクチュエータと、アクチュエータよるブレーキ力をモニタするための圧力センサと、圧力センサからの出力を読み取ってブレーキ力を決定するコントローラと、コントローラによって出力する電気信号が制御される電源とからなる電動式ブレーキ装置を提供する。
【００１３】
また、上記の目的を達成するため、本発明においては、歩行者の補助を行うための補助装置であって、歩行補助用のベルトを巻上げるベルト巻上げ装置と、ベルトに押し付けられるブレーキパッドと、ブレーキパッドを押し付けるための、電気信号により変形する材料を含む電動アクチュエータと、電動アクチュエータよるブレーキ力をモニタするためのセンサとを備える電動式ブレーキ装置と、電動式ブレーキ装置を制御するコントロールボックスを備え、コントロールボックスは、ベルト巻上げ装置からの、ベルト引き出し量に関する信号、及びセンサからの出力信号に基づき、ブレーキ力を決定し、決定した当該ブレーキ力を発生するよう、電動アクチュエータに印加する電気信号を制御する補助装置を提供する。
【００１４】
更に、上記の目的を達成するため、本発明においては、歩行者の補助を行うための補助装置であって、固定ディスクと、固定ディスクに対して回転可能な回転ディスクと、回転ディスクに押し付けられるブレーキパッドと、ブレーキパッドを押し付けるための、電気信号により変形する材料を含む電動アクチュエータと、電動アクチュエータよるブレーキ力をモニタするためのセンサとを備える電動式ブレーキ装置と、電動式ブレーキ装置を制御するコントロールボックスを備え、コントロールボックスは、電動式ブレーキ装置からの回転ディスクの回転角度に関する信号、及びセンサからの出力信号に基づき、ブレーキ力を決定し、決定した当該ブレーキ力を発生するよう、電動アクチュエータに印加する電気信号を制御する補助装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電動でブレーキ力を正確に制御できる、小型軽量ブレーキ装置が実現でき、人の動作や姿勢維持の補助といったことを目的とする、装着型のアシスト機器に適用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明で用いる、誘電エラストマーアクチュエータの動作原理を示す図である。
【図２】本発明の電動式ブレーキ装置の基本的な断面構造を示す図である。
【図３】本発明で用いる、誘電エラストマーアクチュエータによる力について説明するための断面図である。
【図４】図１に示した誘電エラストマーアクチュエータの、両面の電極を固定した場合のアクチュエーションの様子を示した図である。
【図５】図１に示した誘電エラストマーアクチュエータの、両面の電極を固定せず、潤滑油を塗った場合のアクチュエーションの様子を示した図である。
【図６】本発明で用いるセンサである、フィルム状感圧センサにかけた圧力に対する、感圧センサの抵抗値の逆数を示したグラフ図である。
【図７】本発明で用いるセンサである、フィルム状感圧センサから得られる力の値が、センサ表面を物体が滑ることによってどのように変わるかを示したグラフ図である。
【図８】第１の実施例に係る、ブレーキ装置の概略構成を示す図である。
【図９】第１の実施例に係る、ブレーキ装置の別の断面構造を示す図である。
【図１０】第２の実施例に係る、歩行補助装置を示す概念図である。
【図１１】第２の実施例に係る、歩行補助装置の機能構成を示すブロック図である。
【図１２】第２の実施例に係る、歩行補助装置の動作を示すフローチャート図である。
【図１３】第３の実施例に係る、ディスクブレーキ装置の外形を斜め上から見た概念図である。
【図１４】第３の実施例に係る、ディスクブレーキ装置の分解図である。
【図１５】第３の実施例に係る、図１３に示したディスクブレーキ装置のＢ−Ｂ’での断面図である。
【図１６】第４の実施例に係る、図１３に示したディスクブレーキ装置を用いた、膝装着型の歩行補助装置を示す概念図である。
【図１７】第４の実施例に係る、回転角度を検出するエンコーダを組み込んだ、膝装着型の歩行補助装置用ディスクブレーキ装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例について図を用いて説明するに先立ち、本発明の原理について説明する。
【００１８】
本発明の電動式ブレーキ装置の内部基本構造は、移動体の動きを制動するために移動体に押し付けられる摩擦材であるブレーキパッドと、ブレーキパッドを押し付けるための電気活性ポリマーからなるアクチュエータと、ブレーキ力をモニタするための圧力センサからなる。更に、この装置の外部には、圧力センサからの出力を読み取って最適なブレーキ力を決定するコントローラと、コントローラによって出力が制御されるアクチュエータ電源がある。
【００１９】
このブレーキパッドを押し付けるアクチュエータを構成する電気活性ポリマーとしては、導電性高分子、イオン導電性高分子、ゲル、誘電エラストマーからなるものなどを用いる。なかでも、誘電エラストマーを利用したアクチュエータは、応答速度、変形量、発生応力、エネルギー変換効率が高いことが知られているので、ここで誘電エラストマーアクチュエータについて説明する。
【００２０】
図１に本発明で利用するアクチュエータの原理を示す。同図の（Ａ）は、誘電エラストマーアクチュエータの両面の電極に電圧を印加していない状態、同図の（Ｂ）は、誘電エラストマーアクチュエータの両面の電極に電圧を印加して、電極間距離が縮まり、電極面積が広がった状態を示す概念図である。図１の（Ａ）に示すように、誘電エラストマーアクチュエータ１はエラストマー材料２の両面に柔軟電極３および４を付与した構造をしている。図１の（Ｂ）に示すように、電極間に電圧を印加すると、クーロン力によって電極が引き合うことで、電極間距離が縮み、電極面内には広がるように全体の形状が変化する。
【００２１】
図２を用いて、上述のアクチュエータをブレーキとして使用する場合の動作の仕方について説明する。図２は本発明のブレーキ装置の基本的な構造の断面図である。誘電エラストマーアクチュエータ１、ブレーキパッド６、移動体９は、基板２５、２６の間に配置されている。基板２５、２６は空間的に固定されている。誘電エラストマーアクチュエータ１は基板２５に固定され、この誘電エラストマーアクチュエータ１にブレーキパッド６が固定されている。移動体９は誘電エラストマーアクチュエータ１が固定された基板とは別の基板２６の面に沿って移動できるものとする。
【００２２】
図２の（Ａ）では、誘電エラストマーアクチュエータ１が電極間方向に伸長することにより、ブレーキパッド６を移動体９に押し付けている。移動体９には誘電エラストマーアクチュエータ１によって垂直抗力Ｎが与えられ、これにより、ブレーキパッド６と移動体９の間に摩擦力Ｆが生じる。この摩擦力Ｆで移動体９の動きを制動している（制動状態）。
【００２３】
図２の（Ｂ）では、誘電エラストマーアクチュエータ１が電極間方向に収縮することにより、ブレーキパッドが移動体から離れ、移動体９は自由に移動できる（非制動状態）。
【００２４】
次に図３を用いて、誘電エラストマーアクチュエータを用いたブレーキの、ブレーキ力の大きさについて説明する。図３は、誘電エラストマーアクチュエータ１の断面図である。図３の（Ａ）は、誘電エラストマーアクチュエータ１の両面の電極３、４に電圧Ｖ１がかかっており、かつ、アクチュエータに力学的負荷がかかっていない状態を示している。この時の電極間距離をｚ１とする。図３（Ｂ）は図３（Ａ）の状態に、上面から力学的な負荷をかけた状態を示している。弾性体であるエラストマーは負荷によって押し込まれ、電極間距離がΔｚだけ縮む。このときエラストマーが発生する力は縮み量に近似的に比例した大きさで、かかっている負荷と釣り合う。
【００２５】
エラストマーが発生する力をｆ、電極面積をＳ、エラストマーの弾性率をＹとすると、次式（１）であらわされる。
ｆ＝（Δｚ/ｚ１）・Ｙ・Ｓ                    ………（１）
ブレーキとして用いた時、この力ｆがブレーキパッド６を介して移動体９に垂直抗力としてかかるので、摩擦力Ｆ、すなわちブレーキ力は、ブレーキパッド６と移動体９の界面の摩擦係数をμとして、近似的に次式（２）のようにあらわすことができる。
Ｆ＝μｆ＝（Δｚ/ｚ１）・μ・Ｙ・Ｓ          ………（２）
式（２）中のｚ１は、誘電エラストマーアクチュエータに印加する電圧で調節できるので、ブレーキ力を調節することができる。
【００２６】
ここで、エラストマー材料は非圧縮性材料のため、変形に対して体積は一定である。したがって、電極間方向に変形を得ようとした時、電極面を固定して電極面内の変形を阻害すると、電極間方向の変形も抑制される。
【００２７】
図４はそのような状況の誘電エラストマーアクチュエータの断面を示した模式図である。同図の（Ａ）は、誘電エラストマーアクチュエータの両面の電極に電圧を印加していない状態、同図の（Ｂ）は、誘電エラストマーアクチュエータの両面の電極に電圧を印加した状態を表す断面の概念図である。図４の（Ａ）は誘電エラストマーアクチュエータ１の上下を基板５とブレーキパッド６に固定した場合の図である。これに電圧を印加すると、図４の（Ｂ）に示すようにビア樽のように膨らむことで多少電極間距離が小さくなるが、電極３、４の面内に自由に広がる場合に比べると、その変形率は小さくなってしまう。その場合、十分な変形を得るために、誘電エラストマーアクチュエータに高い電圧をかけなければならない。
【００２８】
そのため、図５に示すように、アクチュエータの上下を基板ないしはブレーキパッドに全面で固定せず、電極面積に対して十分小さい一部の面積の固定部７で固定するようにする。同図の（Ａ）は、誘電エラストマーアクチュエータの両面の電極に電圧を印加していない状態、同図の（Ｂ）は、誘電エラストマーアクチュエータの両面の電極に電圧を印加した状態の断面図を示す。固定部以外のアクチュエータと基板ないしはブレーキパッドとの界面は、アクチュエータが容易に伸縮、変形するように、滑りやすい状態にしておく。たとえば、界面に潤滑油を塗るか、基板やブレーキパッドのアクチュエータに接する表面をテフロン(登録商標)のような滑りやすい材料とすることで実現できる。
【００２９】
図５では潤滑油８を塗布した場合を図示した。この場合、アクチュエータは、基板ないしはブレーキパッド表面を滑ることにより、電極３、４面内にも十分変形することができ、その結果、電極間方向にも大きく変形することができる。このようにすることで、大きな電圧をかけずにアクチュエータを変形させ、ブレーキパッドを移動させることができる。この移動距離が小さいと、非制動時にブレーキパッドが移動体と擦れ合ったままになってしまい、好ましくない。誘電エラストマーアクチュエータには、７０％の変形率のものもあるので、ブレーキに組み込んだ時、この移動距離を十分大きくとることができる。
【００３０】
また、エラストマー材料は温度によってその体積、弾性率が変化することが知られている。摩擦力で制動するブレーキの場合、摩擦熱によって容易にブレーキパッドの温度が上昇し、これを押し付けるためのアクチュエータの温度も変化することが考えられる。式（２）に示したように、ブレーキ力は誘電エラストマーアクチュエータの電極間距離やエラストマーの弾性率に依存するため、温度変化によって、エラストマーの体積が変化することでこの電極間距離が変わったり、エラストマーの弾性率が変化したりすることで、所望のブレーキ力が得られなくなる可能性がある。温度をモニタすることによって、材料の特性を評価し、必要な印加電圧を決定することもできるが、エラストマー自体の熱伝導率が低く、温度を正確に見積もることは難しい。
【００３１】
そこで、ブレーキ力すなわち摩擦力が、摩擦面での垂直抗力に比例することを利用して、この力を圧力センサなどでモニタすればよい。この場合、摩擦熱が圧力センサに影響を与えないよう、ブレーキパッドの摩擦面から熱的に離れた場所にセンサを配置するのが適当である。エラストマーは熱伝導率が低いので、これのブレーキパッドと反対側の面に圧力センサを配置することで、熱が圧力センサに与える影響を最小にすることができる。したがって、図５の誘電エラストマーアクチュエータ１と基板５との間に設置することが適当である。変形するアクチュエータにセンサを固定すると、この部分の変形が阻害されてしまうので、基板５側の誘電エラストマーアクチュエータ１に対する面に圧力センサを固定するのが適当である。
【００３２】
圧力センサには様々な種類があるが、フィルム状の感圧センサが、軽量・小型であるため、軽量ブレーキ装置に組み込む目的に適している。このようなセンサにはニッタ社製フレキシフォースやインターリンク社製ＦＳＲ（Force Sensing Resistor）などがある。これらのセンサは、厚さ数百ミクロンと薄いので、ブレーキ装置に組み込んでもその厚みに影響がない。これらのセンサは、センサ表面にかかる圧力によってセンサの抵抗が変わる仕組みになっている。
【００３３】
図６は、フィルム状感圧センサにかけた圧力に対する、感圧センサの抵抗値の逆数を示したものである。従って、センサ抵抗値を測定することで圧力を推定することができる。しかしながら、このフィルム状感圧センサの場合、センサ表面を物体が滑るなどしてセンサ表面に水平方向の力（せん断力）がある場合、正しい力を検出できないことがある。図６で示した、フィルム状感圧センサにかけた圧力に対する、感圧センサの抵抗値の逆数の関係は、センサとその表面に接してセンサに力を及ぼす物体とが互いに滑っていない状態（静止状態）でのものである。したがって、センサ表面を物体が滑っているような場合（滑り状態）に、このグラフを基にセンサ抵抗値から圧力を推定すると、誤った値を得ることがある。
【００３４】
実際、図７のグラフに示すように、フィルム状感圧センサから推定される力の値は、滑り状態では大きく変動していた。図７の縦軸は、実際にかかっている力の大きさに対する感圧センサから推定された力の大きさの比で、横軸は時間である。感圧センサから推定された力の大きさは、図６の静止状態でのセンサ抵抗値とセンサにかけた圧力との関係から求めている。測定開始から１秒までは静止状態で、実際にかかっている力と感圧センサから推定された力の大きさは一致している。１秒から３秒は滑り状態で、この時、感圧センサから推定された力の大きさは、実際にかかっている力の大きさから大きくずれていた。なお、滑り状態では毎秒５ミリメートルの相対速度で滑っている。
【００３５】
軽量ブレーキ装置において、アクチュエータが十分変形するように、図５に示したような構造にした場合、固定部７以外では、アクチュエータが基板の上を滑っている。したがって、基板５の誘電エラストマーアクチュエータ１側に圧力センサを設置するとき、固定部７以外では、滑り状態にあることになる。そのため、圧力センサが正確な力を測定できなくなる。一方、固定部７では静止状態にあるため、圧力センサをこの位置に配置すれば、正確な垂直抗力を検出することができ、その結果、ブレーキ力を正確に測定できることになる。
【００３６】
このようにして、本発明のブレーキ装置の基本構造では、正確なブレーキ力が測定できるので、この値を用いて制御用コントローラがアクチュエータに必要な電圧を決定し、アクチュエータ電源を制御することで、所望のブレーキ力を得ることができる。
【実施例１】
【００３７】
第１の実施例としてブレーキ装置の基本的な構造の実施例を図８を用いて説明する。図８は、直線的に移動する、ベルト状の移動体を制動する、ブレーキ装置の一構成を示した概念図である。図８の（Ａ）は本実施例のブレーキ装置の外形を斜め上から見た概念図、図８の（Ｂ）は制動状態の図８の（Ａ）のブレーキ装置のＡ―Ａ’における断面図、図８の（Ｃ）は非制動状態の図８（Ａ）のブレーキ装置のＡ―Ａ’における断面図である。
【００３８】
図８の（Ａ）に示すように、ブレーキ装置１０は、ふた１５のついたケース１１にその部品がおさめられており、ケースの左右に開けられた２つの開口部１２、１３を通ってベルト状移動体１４が貫通するようになっている。ケース１１の側面から、誘電エラストマーアクチュエータに電圧を印加するための電源ケーブル１６と圧力センサの測定値を出力するための信号ケーブル１７が出ていて、図示を省略した外部のアクチュエータ用電源とコントローラに接続されている。
【００３９】
図８の（Ｂ）の断面図に示すように、ケース１１の内部には、ブレーキパッド１８、誘電エラストマーアクチュエータ１、圧力センサ１９が配置されている。圧力センサ１９は固定部７の位置において、ケース１１内側の底部に埋め込まれ、固定されていて、その表面が底部表面と一致するようになっている。圧力センサ１９を埋め込まずに凸部とした状態であると、凸部は他より高い圧力を示すことになるので、正確な圧力が計測できなくなる。凹凸が解消できない場合は、凸部であることによる圧力の計測誤差をあらかじめ測定し校正する必要がある。
【００４０】
誘電エラストマーアクチュエータ１は、アクチュエータ両面に配置された柔軟電極３、４の電極面がケース１１の底部と平行になる向きに配置されている。誘電エラストマーアクチュエータ１は、ケース１１に固定された圧力センサ１９と接する固定部７で、圧力センサ１９を介してケース１１に固定されている。この固定部７の、誘電エラストマーアクチュエータ１をはさんでブレーキパッド側には、ブレーキパッド１８と誘電エラストマーアクチュエータ１を固定する固定部２０がある。
【００４１】
固定部７および２０の面積は大きいとアクチュエータ１の動作に影響を及ぼすので、小さいほどよい。しかし、固定部７の面積が圧力センサ１９の面積より小さいと、圧力センサの表面の一部をアクチュエータが滑っている状態になるので、圧力の測定に影響を及ぼす。したがって、固定部７は圧力センサ１９より大きな面積であることが望ましい。固定部７の面積の下限は圧力センサの大きさ以外に、固定する接着剤の接着力等に依存するが、アクチュエータ１の面積の２％程度あれば一般的な接着剤で固定できる。固定部２０については圧力センサが下部に配置されていなければ、アクチュエータ１の面積の２％程度でよい。
【００４２】
上述の通り、アクチュエータ１とケース１１の底部表面、および、アクチュエータ１とブレーキパッド１８の表面の間には、潤滑油８が塗られている。ブレーキパッド１８の上方には、ベルト状移動体１４がケース１１の外部からケース１１の開口部、１２、１３を通って渡されている。ベルト状移動体１４はこの開口部１２、１３を通ってＡ―Ａ’方向に移動が可能となっている。ベルト状移動体１４の上にはケースのふた１５が配置され、このふた１５はケース１１に固定されている。
【００４３】
図８の（Ａ）のＡ―Ａ’方向において、ブレーキパッド１８は、ケース１１の内側にリニアベアリング２１を介して接触している。これにより、ブレーキパッド１８が抵抗なくケース１１内を上下するようになっていると同時に、ベルト状移動体１４がＡ―Ａ’方向に動いた際などに、ブレーキパッド１８がベルト移動体１４の動く方向と同じ方向に動くことを抑制する構造になっている。
【００４４】
図８の（Ｂ）、（Ｃ）を用いて、このブレーキ装置の動作を説明する。誘電エラストマーアクチュエータに電圧が印加されていない、あるいは、印加電圧が小さい状態では、図８の（Ｂ）のようにブレーキパッド１８は押し上げられている。ベルト状移動体１４は押し上げられたブレーキパッド１８とケースのふた１５との間に挟まれるので、その移動速度が減じられる。アクチュエータ１の押し付ける力が強ければ、ベルト状移動体１４はケース１１に対して固定される。
【００４５】
誘電エラストマーアクチュエータ１に印加する電圧を大きくしていくと、誘電エラストマーアクチュエータ１の厚みが小さくなるため、ブレーキパッド１８は下がった位置にくる。図８の（Ｃ）のように、十分誘電エラストマーアクチュエータ１が縮めば、ブレーキパッド１８はベルト状移動体１４から離れた状態にあり、ベルト状移動体１４は抵抗なく移動することができる。アクチュエータ１に印加される電圧を調整することで、ブレーキパッド１８とベルト状移動体１４の間の摩擦力を調整できるので、ベルト状移動体の減速の程度を調整することができる。
【００４６】
このような本実施例の構造のブレーキ装置を、長さが５０ミリ、幅が２５ミリ、厚みが１０ミリの誘電エラストマーアクチュエータを用いて作製したところ、ブレーキ力として最大３０ニュートンの力を発生させることができた。このとき１００Ｖの電圧を誘電エラストマーアクチュエータ１に印加することで、ブレーキ装置１０は非制動状態となり、ベルト状移動体１４を動かすことができた。ここで、ベルト状移動体１４の移動方向、すなわち図８の(Ａ）のＡ―Ａ’方向に長さを、柔軟電極３、４の面内でＡ―Ａ’方向に垂直な方向に幅をとっている。このアクチュエータ１を用いて作製したブレーキ装置１０はベルト状移動体１４を除けば重さが約１５０グラムとなり、軽量なブレーキ装置１０が実現した。
【００４７】
また、７０Ｖの電圧を印加したとき、ブレーキ力は１５ニュートンあり、圧力センサ１９で検出された垂直抗力は、３１ニュートンであった。この状態で温度を５０度上昇させると、アクチュエータ１を構成するエラストマーが熱膨張し、かつ弾性率が低下するために、結果的に垂直抗力が減少し、ブレーキ力も低下する。圧力センサ１９からの信号を用いた制御をせずにブレーキ力を測定すると、９ニュートンまでブレーキ力が低下していた。そこで、圧力センサ１９からの信号を用いた制御を行うと、図示を省略した外部のコントローラが誘電エラストマーアクチュエータ１への電圧をただちに制御し、６０Ｖの電圧を印加することで１５ニュートンのブレーキ力を得ることができた。なお、この外部のコントローラの一例については、第二の実施例において例示することとする。
【００４８】
図８の実施例では誘電エラストマーアクチュエータ１の表面に柔軟電極３、４がむき出しになっているように表示されているが、むき出しの状態だとアクチュエータ１に印加した電圧がケース１１やブレーキパッド１８にもかかってしまう。そのため、アクチュエータ１の電極面を柔軟な絶縁体で表面を覆うことが望ましい。アクチュエータ動作を阻害しないという点で、アクチュエータ１を構成するエラストマーかそれより弾性係数の小さい材料で覆われていることが望ましい。また、このようにアクチュエータ表面を覆うほかに、ケース内部やブレーキパッド１８のアクチュエータ側を絶縁膜で被覆することが望ましい。また、図８では、誘電エラストマーアクチュエータ１とケース１１の底部およびブレーキパッド１８との界面の滑りを良くするために潤滑油を塗布したが、ケース１１の底部表面、あるいはブレーキパッド１８のアクチュエータ側の表面がテフロンのような滑りやすいものとすることにより、界面の滑りを良くしてもよい。
【００４９】
図８の実施例の構造では、ベルト状移動体１８に対し、片面のみに誘電エラストマーアクチュエータ１が配置されたブレーキ装置１０を示したが、図９に示すように、ブレーキパッド１８とアクチュエータ１を反対側にも配置して、ベルト状移動体１４を両面から挟み込む形にしてもよい。このような構造にして上下のアクチュエータ１の動作を的確に行えば、ベルト状移動体１４の上下方向の位置がずれることがない。また、片面のみにアクチュエータ１が配置された場合より、ベルト状移動体１４がケースのふたと接触する部分を減らせるので、非制動時のベルト状移動体１４とケース１１のふたとの間の摩擦を軽減できる。
【００５０】
以上説明した、第１の実施例のブレーキ装置１０では、アクチュエータ電源やコントローラはケース１１の外部に配置したが、オンボード電源やマイコンを用いてケース１１内に配置することも可能である。本実施例によれば、軽量小型のブレーキ装置を提供することができる。
【実施例２】
【００５１】
実施例２では、実施例１に示した軽量ブレーキ装置を利用した歩行補助装置の実施例について説明する。
階段下降の際、膝関節、股関節を深く曲げる姿勢を保つために、大腿四頭筋や大臀筋などを使う。これらの筋肉が衰えると、この姿勢を保てずに、逆側の足を着地させる際の減速が十分に行えなくなる。その場合、着地した足は減速せずに地面と衝突するため、膝等の関節に衝撃がかかる。これによって関節を痛めたり、痛みを感じたりという不快感を伴う。このような筋肉の衰えを補うように、この歩行補助装置は働く。
【００５２】
図１０の（Ａ）、（Ｂ）に示したのは実施例１に示した軽量ブレーキ装置１０を利用した歩行補助装置１００の概略図である。同図の（Ａ）は、電動歩行補助装置を装着した人の下半身を左前方から見た概念図、同図の（Ｂ）は電動歩行補助装置を装着した人の下半身を左後方から見た概念図である。
【００５３】
歩行補助装置１００は各足に対して、１式の、軽量ブレーキ装置１０、ベルト巻上げ装置１０１、歩行補助装置の制御を行うコントロールボックス１０２、腰部ベルト１０３、腰部から膝下までつなぐベルト１０４、膝下に固定した膝下ベルト１０５からなる。
【００５４】
腰部ベルト１０３には、コントロールボックス１０２、軽量ブレーキ装置１０、ベルト巻上げ装置１０１が固定されている。軽量ブレーキ装置１０はベルト巻上げ装置１０１と膝下ベルト１０５の間に配置され、装置内部をベルト１０４が貫通している。腰部から膝下までつなぐベルト１０４は、ベルト巻上げ装置１０１から、軽量ブレーキ装置１０および装着者の臀部を通り、膝前を通って膝下ベルト１０５に固定されている。ベルト巻上げ装置１０１は内部にベルト１０４の引き出し量とベルトの速度を検出するための信号を所定周期で出力するためのエンコーダを含んでいる。この引き出し量や速度を検出するための信号は、ベルト巻上げ装置１０１内に残存するベルトの量を管理することなどにより、エンコーダから出力することができる。
【００５５】
また、ベルト巻上げ装置１０１は内部にばねを有しており、ベルト１０４を弛まない程度の張力で常に引っ張り上げているため、装着者が直立したときにはベルト１０４の余分な長さは、内部のばねの作用により、ベルト巻上げ装置１０１に巻上げられて格納されている。階段を下るときなど、装着者が膝関節や股関節を曲げたとき、ベルト１０４の必要な分量が装着者の動きによってベルト巻上げ装置１０１から引き出されるようになっている。
【００５６】
図１１は本実施例のコントロールボックス１０２を中心とした、歩行補助装置１００の機能構成の一例を示すブロック図である。ベルト巻上げ装置１０１のエンコーダ１１０からの所定のサンプリング周期で出力される信号は、コントロールボックス１０２内のベルト引き出し量変換部１１１でベルトの引き出し量に変換される。この引き出し量の値はベルト引き出し速度演算部１１２およびブレーキ力演算部１１３に送られる。ベルト引き出し速度演算部１１２では引き出し量と、予め設定されたサンプリング周期の情報を使って、ベルトの引き出し速度を演算し、ブレーキ力演算部１１３に送る。ブレーキ力演算部１１３では、後で説明するように、ベルト引き出し量と引き出し速度を用い、メモリ１１５に格納された装着者の正常な歩行時のデータを参照して、膝角度と膝角速度を演算し、これらのデータに基づき歩行の状態を判断し、ブレーキ力を決定する。
【００５７】
この決定されたブレーキ力に基づき、ブレーキ装置１０内にある誘電エラストマーアクチュエータ１に印加する電圧を決定し、小型電源１１６に制御信号を送る。実際のブレーキ力はブレーキ装置１０内の圧力センサ１９によって測定され、そのセンサ信号はブレーキ力変換部１１４でブレーキ力に変換され、ブレーキ力演算部１１３へ送られる。この値を基に、ブレーキ力演算部１１３は、先に決定したブレーキ力になるよう小型電源１１６からアクチュエータ１に印加する電圧を調整する。
【００５８】
なお、このコントロールボックス１０２は、小型電源１１６を除き、通常の処理部を構成する中央処理部（ＣＰＵ）、プログラム等を記憶する記憶部を構成するメモリと、インタフェース部を有するコンピュータ構成とし、ＣＰＵが各種のプログラム等を実行することなどにより、上述したベルト引き出し量変換部１１１、ベルト引き出し速度演算部１１２、ブレーキ力演算部１１３、ブレーキ力変換部１１４を実現することができる。そのため、このコントロールボックス１０２内の、ベルト引き出し量変換部１１１、ベルト引き出し速度演算部１１２、ブレーキ力演算部１１３、ブレーキ力変換部１１４を総称して処理部、あるいはコントローラと呼ぶことができる。また、小型電源１１６は、コントロールボックス１０２でなく、ブレーキ装置１０側に設置しても良い。
【００５９】
図１２は、本実施例の歩行補助装置１００により、階段下降時の歩行補助のためのブレーキ力制御の手順を説明するフローチャートである。ブレーキ力演算部１１３では、入力されるベルトの引き出し量と引き出し速度を用いて、膝角度と膝角速度を演算する（Ｓ１００）。膝角速度は膝角度を微分することによって得ることができる。なお、膝角度とベルト引き出し量の関係は、装着者によって違うため、予めメモリ１１５に格納したデータを参照する。
【００６０】
そして、得られた膝角度と膝角速度と、メモリ１１５に格納されているデータと比較して（Ｓ１０１）、階段下降時かどうかを判断する（Ｓ１０２）。下降時でなければ歩行補助を行わない。下降時である場合、膝角度が設定したしきい値より小さい、すなわち膝が深く曲がっている状態で、かつ、その膝角度に対する膝角速度のしきい値を超えているかを判断する（Ｓ１０３）。
【００６１】
なお、図示は省略するが、メモリ１１５内には、装着者の正常な下降上昇歩行時の、１周期分の左右の膝角度と膝角速度の時間変化データを記憶しておく。通常、階段上昇時は、膝を伸ばすのに時間がかかり、膝を曲げるのには短時間で済むのに対し、下降時はその逆で、膝を伸ばすのにかかる時間は、曲げていくのにかかる時間より短時間である。そのため、膝が伸びる方向を膝角度が大きくなる方向ととると、膝角速度で言えば、階段上昇時は、歩行一周期において、正の値をとる時間が、負の値をとる時関より長くなる。この事実に基づき、階段上昇時か階段下降時かどうかを判断することができる（Ｓ１０２）。
【００６２】
いずれかの条件を満たさない時は歩行補助を行わないので、再び新たな膝角度と膝角速度を演算取得する（Ｓ１００）。ステップＳ１０３を満たす場合は、膝角度と膝角速度を基に、着地までの間に減速できるよう、ブレーキ力が算出される（Ｓ１０４）。大きすぎるブレーキ力によって急激なベルトの減速がおこり、装着者に強い力がかかってしまうことのないように、ブレーキ力の上限はあらかじめ設定されている。算出されたブレーキ力がこの上限以下であるかをステップＳ１０５で判断し、上限以上の場合は上限にブレーキ力を設定する（Ｓ１０６）。
【００６３】
ブレーキ力が上限以下であれば、算出値をそのままブレーキ力として設定する（Ｓ１０６）。ステップＳ１０６で設定されたブレーキ力の値から、ブレーキ装置１０のアクチュエータに印加する電圧を決定し出力する（Ｓ１０７）。これに従いブレーキは動作する。この時のブレーキ力を圧力センサ１９により取得し（Ｓ１０８）、ステップＳ１０６で設定した値と比較して（Ｓ１０９）、異なる場合はステップＳ１０７からＳ１０９を繰り返してブレーキ力を調整する。このようにして、必要なブレーキ力がベルト１０４にかかり、膝角度の減速を補助し、装着者の着地の際の衝撃を緩和する。
【００６４】
以上説明した本実施例の歩行補助装置では、足を動かすためには装着者の力を利用するため、必要以上の出力のモータ（アクチュエータ）を必要としないので、装着していても安全である。また、ブレーキとして使用している、誘電エラストマーアクチュエータを使用したブレーキ装置は軽量であるため、装着していても負担が少ない。また、サポーターのようなパッシブな補助具では常に張力がかかっているため、関節を曲げるときに必要以上の力がかかってしまい、装着者に負担となる。このような電動式のブレーキを装着することで、必要なときに張力がかけられるため、補助力が不要なときには装着者に負担がないようにすることができる。
【実施例３】
【００６５】
第三の実施例では、回転動作するものとしての移動体の制動を行うディスクブレーキ装置の実施例について説明する。
実施例１では、直線的に移動する移動体の制動を行うブレーキ装置について述べたが、実施例３は、動作するものとしての回転する移動体の制動を、摩擦材であるブレーキパッドで行うディスクブレーキ装置に関するものである。
【００６６】
図１３は、本実施例のディスクブレーキ装置３０のブレーキ部分を示す概念図である。このディスクブレーキ装置のブレーキ部は、アーム３１とそれに接続された２枚のディスク３２、もうひとつのアーム３３とそれに接続されたディスク３４、これらの間に配置された二つのブレーキ部３５、ディスクとブレーキを貫通して固定する回転軸３６からなる。アーム３１と接続した２枚のディスク３２は回転軸３６に固定されている。一方、アーム３３と接続したディスク３４は、回転動作するものとしての移動体であり、回転軸３６を中心に回転することができるようになっている。そこで、ディスク３２を固定ディスク、ディスク３４を回転ディスクと呼ぶ場合がある。
【００６７】
ブレーキ部３５は回転ディスク３４の両面に、固定ディスク３２との間に二つ配置されている。ブレーキ部３５は固定ディスク３２に固定されているので、固定ディスク３２に対して、ディスク３４が回転しないように働く。ブレーキ部３５は、電気的に電源とコントローラ（いずれも図示せず）に接続されている。
【００６８】
図１４を用いて、本実施例のディスクブレーキ装置３０の詳細な構成を説明する。図１４は、図１３に示したディスクブレーキ装置３０を分解して示した斜視図である。ディスクブレーキ装置３０は、アーム３１に接続された２枚の固定ディスク３２、二つの誘電エラストマーアクチュエータ３８、二つのブレーキパッド３９、二つのケース３７、アーム３３をもつ回転ディスク３４からなり、回転ディスク３４を中心に、図１４のように左右対称に構成されている。
【００６９】
ディスク３２および３４、誘電エラストマーアクチュエータ３８、ブレーキパッド３９はいずれも円盤状の外形をしており、その中央に円形の貫通穴があいていて、回転軸３６が貫通するようになっている。回転軸３６は二つの固定ディスク３２に固定されている。また、二つのケース３７は、円筒状で、それぞれ固定ディスク３２に固定されている。これに対し、回転ディスク３４は、その中央の貫通穴にベアリング４０を有していて、このベアリング４０を介して回転軸３６に結合されている。したがって、回転ディスク３４は回転軸３６の周りを低摩擦で回転する。
【００７０】
誘電エラストマーアクチュエータ３８の貫通穴は、誘電エラストマーアクチュエータ３８が回転軸３６に触れることはないよう、回転軸３６より大きく設定されている。誘電エラストマーアクチュエータ３８の両面には、中央の貫通穴に沿った位置にそれぞれ固定部４１がある。一方の固定部４１を介して、誘電エラストマーアクチュエータ３８は、固定ディスク３２に固定されている。固定ディスク３２の誘電エラストマーアクチュエータ３８に対する面には、誘電エラストマーアクチュエータ３８と固定する部分に圧力センサ４５が、その表面を固定ディスク３２の表面と一致するように埋め込まれている。図１４では１枚にディスクにつき２つの圧力センサ４５が示されているが、一つでもかまわない。圧力センサ４５の出力は、図示を省略した回転軸を通る有線等を用いてコントロールボックスへ出力される。
【００７１】
誘電エラストマーアクチュエータ３８からは、外部の電源（図示せず）と電気的に接続するための電源ケーブルが出ている。また、圧力センサ４５からは、外部のコントローラ（図示せず）と電気的に接続するためのケーブルが出ている。誘電エラストマーアクチュエータ３８が固定された部分で圧力をモニタすることにより、アクチュエータの動きに左右されず、正確な圧力を検出することができる。コントローラではこの圧力値から必要なブレーキ力を決定し、必要なブレーキ力になるよう、誘電エラストマーアクチュエータ３８に与える電圧を調整する。
【００７２】
誘電エラストマーアクチュエータ３８の、固定ディスク３２に対する面とは逆の面に設置された固定部４１を介して、誘電エラストマーアクチュエータ３８は、ブレーキパッド３９に固定されている。実施例１と同様に、誘電エラストマーアクチュエータ３８と固定ディスク３２ないしはブレーキパッド３９との間には潤滑油が塗られていて、誘電エラストマーアクチュエータは低摩擦で伸縮、変形することができる。
【００７３】
ブレーキパッド３９の中央の貫通穴には円筒状のリニアベアリング４２が固定されていて、リニアベアリングの内径を回転軸３６が低摩擦で移動できるようになっている。また、ブレーキパッド３９には、回転を防ぐためのきりかき４３が２か所ある。ここでは２か所ある例を示したが、きりかきの数は少なくとも１か所あればよい。ケース３７は、円筒状の外形で、誘電エラストマーアクチュエータ３８、ブレーキパッド３９を覆うように、固定ディスク３２に固定される。
【００７４】
ケース３７は、その内側に爪４４を少なくとも一つ有する。この爪４４はブレーキパッド３９のきりかき４３にはめ合わせられるようになっている。そのため、制動時にブレーキパッド３９が、回転ディスク３４の回転方向と同じ方向に回転することが妨げられるようになっている。ブレーキパッド３９が回転しようとすると、誘電エラストマーアクチュエータ３８に歪がかかり、固定部４１が破断したり、誘電エラストマーアクチュエータ３８自身が破断したりして、ブレーキ装置の寿命が縮まる。したがって、ブレーキパッドの回転を抑制することでブレーキ装置の寿命を延ばすことができる。
【００７５】
この爪４４の、回転軸方向の厚みは、制動時にブレーキパッドが回転軸方向に十分移動できるよう、きりかき４３の回転軸方向の深さより十分小さく設定されている。また、制動時にブレーキパッドが回転軸方向に移動する際の妨げとならないよう、きりかき４３と爪４４の界面には潤滑油を塗ってある。
【００７６】
ここでは、ブレーキパッドの回転を抑制するために、爪４４ときりかき４３の形状を選んだが、ブレーキパッド３９に固定されたリニアベアリング４２が、回転軸３６に対して回転しないような構造にすることでも実現できる。このようにすると、ケースやブレーキパッドの形状を簡単にできる。また、リニアベアリング４２と同様のベアリングとスライドシャフトを別に設けることでも実現できる。ベアリングを用いると、よりブレーキパッドの移動時の摩擦を低減することができる。
【００７７】
図１５に、図１３のディスクブレーキ装置３０のＢ−Ｂ’における断面図を示した。図１５の（Ａ）は、ディスクブレーキ装置に電圧がかかっていない状態で、アクチュエータがブレーキパッドを押し上げた、制動状態、図１５の（Ｂ）は、ディスクブレーキ装置に電圧がかかっている状態で、非制動状態である。
【００７８】
ディスクブレーキ装置３０は、２枚の固定ディスク３２、回転ディスク３４、ブレーキ部を覆うケース３７、誘電エラストマーアクチュエータ３８、ブレーキパッド３９、そしてそれらの中央を貫通する回転軸３６からなる。回転ディスク３４を中心に、図１５に示すような左右対称の構成になっている。
【００７９】
２枚の固定ディスク３２は回転軸３６に固定されている。ケース３７は固定ディスク３２に固定されている。誘電エラストマーアクチュエータ３８は固定部４１を介して、固定ディスク３２とブレーキパッド３９に固定されている。固定ディスク３２の、固定部４１の位置には、圧力センサ４５が埋め込まれている。
【００８０】
図１５の（Ａ）に示すように、回転ディスク３４の左右に配置された二つの誘電エラストマーアクチュエータ３８によって左右それぞれのブレーキパッド３９が回転ディスク３４の方向に押されると、回転ディスク３４を挟み込むので、固定ディスク３２に対してディスク３４の回転が抑えられる。
【００８１】
二つの誘電エラストマーアクチュエータ３８に電圧を印加すると、誘電エラストマーアクチュエータ３８はその厚みを縮めるので、ブレーキパッド３９を押し付ける力が弱まり、十分電圧を印加すれば、図１５の（Ｂ）に示すようにブレーキパッド３９と回転ディスク３４が接触しなくなる。このようになれば、回転ディスク３４は回転軸３６の周りに低摩擦で回転することができる。回転ディスク３４と回転軸３６の間にはベアリング４０があるので、非制動状態である図１５の（Ｂ）の状態では回転が妨げられないようになっている。
【００８２】
ここでは、誘電エラストマーアクチュエータの表面に柔軟電極がむき出しになっているように表示されているが、アクチュエータの電極面を柔軟な絶縁体で表面を覆うことが望ましい。これにより、アクチュエータに印加した電圧がケースやブレーキパッドにもかかることがなくなり安全である。アクチュエータ動作を阻害しないという点で、アクチュエータを構成するエラストマーかそれより弾性係数の小さい材料で覆われていることが望ましい。また、このようにアクチュエータ表面を覆うほかに、ケース内部やブレーキパッドのアクチュエータ側を絶縁膜で被覆することが望ましい。また、本実施例では、誘電エラストマーアクチュエータとケース底部およびブレーキパッドとの界面の滑りを良くするために潤滑油を塗布したが、ケース底部表面、あるいはブレーキパッドのアクチュエータ側の表面がテフロンのような滑りやすいものでできていてもよい。
【００８３】
また、本実施例では誘電エラストマーアクチュエータ３８が一組の電極からなっているような図を示したが、これの代わりに誘電エラストマーアクチュエータを多層化したものを用いてもよい。このように多層化したアクチュエータの場合、一層のものと比べ、全体として同じ大きさの場合、各アクチュエータの層が薄い、すなわち電極間距離が小さくなるので、印加する電圧が小さくて済むという利点がある。
【００８４】
このようにして、本実施例のディスクブレーキ装置では、回転ディスクの回転角度と、圧力センサでモニタした値を基に、誘電エラストマーアクチュエータ３８にかける電圧を調整することで、回転ディスク３４の、固定ディスク３２に対する回転に、必要な制動をかけることができる。
【実施例４】
【００８５】
第四の実施例では、実施例３に示した軽量ブレーキ装置を利用した膝装着型の歩行補助装置の一実施例について説明する。
実施例２同様に、階段下降時、脚の筋肉の衰えのため、足の着地の速度を十分に減速できずに、膝等の関節に衝撃がかかることを防ぐように、この歩行補助装置は働く。
【００８６】
図１６に示したのは実施例３に示した軽量なディスクブレーキ装置３０を利用した、膝関節に装着する歩行補助装置２００の概略図である。
歩行補助装置２００は、軽量ディスクブレーキ装置３０、歩行補助装置の制御を行うコントロールボックス２０２、大腿部に固定される太腿ベルト２０３、膝下に固定される膝下ベルト２０５からなる。太腿ベルト２０３および膝下ベルト２０５にはソケット２０６がそれぞれ設置され、軽量ディスクブレーキからのびるアーム３１および３３を固定できるようになっている。これにより、ディスクブレーキ装置３０から伸びるアーム３１および３３は、それぞれ大腿部、膝下部の動きに追従することができる。
【００８７】
本実施例の歩行補助装置における、機能構成を示すブロック図の図示は省略するが、実施例２の図１１のブロック図と同様に構成可能であることは言うまでもない。変更点は、ベルト巻上げ装置１０１の内部に設けられているエンコーダ１１０に対応するエンコーダが、ディスクブレーキ装置３０内部に設けられる点、及びコントロールボックス１０２内のベルト引き出し量変換部１１１とベルト引き出し速度演算部１１２が、膝関節の回転角度変換部、及び膝関節の回転角速度演算部に変更される点、及びメモリ１１５内のデータが、装着者の膝関節に関するデータに変更される点である。
【００８８】
図１７に示すように、ディスクブレーキ装置３０内部、回転ディスク３４の内側の部分には、中空軸形状のエンコーダ４６が固定されている。ディスクブレーキ装置３０の回転軸３６はエンコーダ４６の回転軸と一致するようはめあわされている。回転軸３６は固定ディスク３２と固定されているので、アーム３１とアーム３３の角度、すなわち膝関節角度をモニタすることができる。回転ディスク３４はブレーキパッド３９により圧力を受けるので、内部のエンコーダ４６に力がかからないよう、また、回転ディスク３４がひずまないよう、スペーサ４７が設置されている。図１７では２か所にスペーサを設置しているが、個数や位置はこれに限定するものではない。エンコーダ４６で検出される回転ディスク３４の回転角度に関する情報は、エンコーダ４６から、図示を省略した回転軸を通る有線や、無線手段を用い、所定のサンプリング周期でコントロールボックスへ出力される。
【００８９】
太腿ベルト２０３上には、コントロールボックス２０２が固定されていて、アーム３１に沿って配線されたケーブルを介して、軽量ディスクブレーキ装置３０に電気的に接続されている。コントロールボックス内には、アクチュエータに電源を供給する小型電源と、軽量ブレーキ装置に装備された圧力センサ、およびディスクブレーキ装置３０内部のエンコーダ４６からの信号を受け、適切に電源電圧を制御する制御系が組み込まれている。本実施例におけるエンコーダからの信号は、所定のサンプリング周期で出力される、回転ディスク３４の回転角度に関する情報を示している。上述したように、この回転角度により装着者の膝関節角度をモニタすることができるので、膝関節角度に関する情報を簡単に取得することができる。
【００９０】
以下、本実施例の歩行補助装置２００の動作について説明する。
実施例２の場合と同様に、階段降下の際などに、膝関節を大きく曲げた姿勢を保つ筋肉を助けるように、この歩行補助装置２００は働く。階段降下時、ディスクブレーキ装置３０内部のエンコーダからの信号によって、膝がある一定角度より深く曲げられ、膝関節角速度がある一定速度以上になったことが観測された時、それ以上膝関節角速度が速くならないようにディスクブレーキ装置に信号が送られ、ディスクの回転を遅くするようブレーキをかける。膝関節を伸ばす時には、ブレーキを切り、装着者自身の力で膝を伸ばすようにする。こうした制御については、実施例２に示したものと同様な制御で行われる。
【００９１】
このように、足を動かすためには装着者の力を利用するため、必要以上の出力のアクチュエータを必要としないので、装着者に過大な力が加わる恐れがなく装着していても安全である。また、ブレーキとして使用している、誘電エラストマーアクチュエータを使用したディスクブレーキ装置は軽量であるため、装着していても負担が少ない。また、サポーターのようなパッシブな補助具では、膝関節を曲げることに対して常に抵抗力がかかっているため、必要な関節の曲げ伸ばしにも不要な力がかかってしまい、装着者に負担となる。このような電動式のブレーキを装着することで、必要なときに膝を曲げることに対する抵抗力がかけられるため、補助力が不要なときには装着者に負担がないようにすることができる。
【００９２】
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記のコントロールボックスの各構成、機能、変換部、演算部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１…誘電エラストマーアクチュエータ、
２…エラストマー材料、
３、４…柔軟電極、
５…基板、
６…ブレーキパッド、
７…固定部、
８…潤滑油、
９…移動体、
１０…ブレーキ装置、
１１、３７…ケース、
１２、１３…開口部、
１４…ベルト状移動体、
１５…ふた、
１６…電源ケーブル、
１７…信号ケーブル、
１８、３９…ブレーキパッド、
１９…圧力センサ、
２０…固定部、
２１…リニアベアリング、
２５、２６…基板、
３０…ディスクブレーキ装置、
３１、３３…アーム、
３２、３４…ディスク、
３５…ブレーキ部、
３６…回転軸、
３８…誘電エラストマーアクチュエータ、
４０…ベアリング、
４１…固定部、
４２…リニアベアリング、
４３…きりかき、
４４…爪、
４５…圧力センサ、
４６、１１０…エンコーダ、
４７…スペーサ、
１００…歩行補助装置、
１０１…ベルト巻上げ装置、
１０２…コントロールボックス、
１０３…腰部ベルト、
１０４…ベルト、
１０５…膝下ベルト、
１１１…ベルト引き出し量変換部、
１１２…ベルト引き出し速度演算部、
１１３…ブレーキ力演算部、
１１４…ブレーキ力変換部、
１１５…メモリ、
１１６…小型電源、
２００…歩行補助装置、
２０２…コントロールボックス、
２０３…太腿ベルト、
２０５…膝下ベルト、
２０６…ソケット
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【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】
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【図１７】
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