(57)【要約】【課題】エネルギー消費を抑制することができるアクチュエータを提供する。【解決手段】アクチュエータ１ａは、板状部材５ａと板状部材６ａに接続された第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂと、板状部材５ａからの距離が固定されたフレーム部材８ａと、第１アクチュエータ繊維２ａまたは第２アクチュエータ繊維２ｂの温度を制御する制御部１０ａとを含んでいる。第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂ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有し、各々が含む高分子繊維体の温度が変化すると伸縮する。制御部１０ａの温度制御に基づく、第１アクチュエータ繊維２ａまたは第２アクチュエータ繊維２ｂの伸縮は、板状部材６ａを、フレーム部材８ａに対して係止、または、フレーム部材８ａに対して係止解除する。【選択図】図１
2017113520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１または複数の接続部材を介してベース部と相対変化部に接続された１または複数の第１アクチュエータ繊維と、
１または複数の接続部材を介して前記ベース部と前記相対変化部に接続された１または複数の第２アクチュエータ繊維と、
前記ベース部からの距離が固定された保持部を含み、
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の温度を制御する制御部とを含み、
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有し、前記高分子繊維体の温度が変化すると、対応するアクチュエータ繊維が伸張または収縮し、
前記温度制御は、前記相対変化部を、前記保持部に対して係止または前記保持部に対して係止解除する
アクチュエータ。
【請求項２】
前記制御部は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の伸縮による変位と前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の伸縮による変位とに差を生じさせることによって、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を含む面に垂直な軸周りの前記相対変位部の角度を変化させる
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
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ばね定数とが等しい
請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記保持部に、前記相対変位部を係止または係止解除する際の、前記相対変位部の動きを案内するガイド部が設けられている
請求項１〜３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記制御部は、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温度を上昇させた状態、かつ、前記相対変位部を係止した後、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温度を常温に戻す
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】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のアクチュエータを複数並列配置した
アクチュエータセット。
【請求項７】
前記制御部は、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が常温の場合に、前記相対変位部を係止解除する
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８】
請求項７に記載のアクチュエータを複数直列配置した
アクチュエータセット。
【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およびアクチュエータセットに関する。
【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、従来のアクチュエータでは、駆動により変位した状態を維持するために、アクチュエータの温度を一定に保つ必要が生じる。そのため、外部に対して仕事をしないにもかかわらず温度維持のためにエネルギーを消費しつづけるという問題がある。
【０００７】
そこで、本開示の非限定的で例示的な一態様は、エネルギー消費を抑制することができる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かかるアクチュエータは、１または複数の接続部材を介してベース部と相対変化部に接続された１または複数の第１アクチュエータ繊維と、１または複数の接続部材を介して前記ベース部と前記相対変化部に接続された１または複数の第２アクチュエータ繊維と、前記ベース部からの距離が固定された保持部を含み、  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の温度を制御する制御部とを含み、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有し、前記高分子繊維体の温度が変化すると、対応するアクチュエータ繊維が伸張または収縮し、前記温度制御は、前記相対変化部を、前記保持部に対して係止または前記保持部に対して係止解除する。
【０００９】
これらの概括的かつ特定の態様は、システム、方法、並びに、システムおよび方法の任意の組み合わせにより実現してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、アクチュエータおよびアクチュエータセットは、エネルギー消費を抑制することができる。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】
【００１１】
【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の相対変位部の変位を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態１にかかるアクチュエータの相対変位部の状態を示す図であり、（ａ）は相対変位部が係止された保持状態、（ｂ）相対変位部の係止が解除された解除状態を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態１にかかるアクチュエータを並列配置したアクチュエータセットを示す図である。
【図５】図５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６】図６は、実施の形態２にかかるアクチュエータの相対変位部の状態を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態２にかかるアクチュエータを直列配置したアクチュエータセットを示す図である。
【図８】図８は、アクチュエータ繊維の概略を示す図である。
【図９】図９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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
「背景技術」の欄に記載したアクチュエータの問題を解決するために、本開示の一態様にかかるアクチュエータは、１または複数の接続部材を介してベース部と相対変化部に接続された１または複数の第１アクチュエータ繊維と、１または複数の接続部材を介して前記ベース部と前記相対変化部に接続された１または複数の第２アクチュエータ繊維と、前記ベース部からの距離が固定された保持部を含み、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の温度を制御する制御部とを含み、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有し、前記高分子繊維体の温度が変化すると、対応するアクチュエータ繊維が伸張または収縮し、前記温度制御は、前記相対変化部を、前記保持部に対して係止または前記保持部に対して係止解除する。
【００１３】
この構成によれば、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を伸縮させた場合に、相対変位部を係止することができるので、アクチュエータに投入するエネルギー消費を抑制することができる。
【００１４】
例えば、前記制御部は、前記１または複数の第１アクチュエータ繊維の伸縮による変位と前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の伸縮による変位とに差を生じさせることによって、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を含む面に垂直な軸周りの前記相対変位部の角度を変化させてもよい。
【００１５】
この構成によれば、簡易な構造で相対変位部の係止を維持することができるので、アクチュエータに投入するエネルギー消費を抑制することができる。
【００１６】
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のばね定数と前記１または複数の第２アクチュエータ繊維の各々のばね定数とが等しくてもよい。
【００１７】
この構成によれば、相対変位部に対して作用する外力が変化しても、相対変位部の姿勢変化を抑制することができるので、アクチュエータを安定して動作させることができる。
【００１８】
例えば、前記保持部に、前記相対変位部を係止または係止解除する際の、前記相対変位部の動きを案内するガイド部が設けられていてもよい。
【００１９】
この構成によれば、アクチュエータを安定して係止または係止解除とすることができる。
【００２０】
例えば、前記制御部は、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温度を上昇させた状態、かつ、前記相対変位部を係止した後、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温度を常温に戻してもよい。
【００２１】
この構成によれば、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を常温に戻しても、相対変位部の係止を維持することができるので、アクチュエータに投入するエネルギー消費を抑制することができる。
【００２２】
また、前記アクチュエータを複数並列配置したアクチュエータセットを備えていてもよい。
【００２３】
この構成によれば、並列配置された複数のアクチュエータで外力を保持する構造になり、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を細くすることができるので、薄型なアクチュエータセットを提供することができる。
【００２４】
例えば、前記制御部は、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が常温の場合に、前記相対変位部を係止解除してもよい。
【００２５】
この構成によれば、常温の状態においてアクチュエータは外力に対して柔軟に変位できる。これにより、アクチュエータが駆動していないときにおいて、柔軟なアクチュエータが得られる。
【００２６】
例えば、前記アクチュエータを複数直列配置したアクチュエータセットを備えていてもよい。
【００２７】
この構成によれば、複数のアクチュエータのうち保持状態にするアクチュエータを切り替えることで、保持状態にあるアクチュエータセットの全長を調節できる。また、保持状態における弾性を調節可能なアクチュエータセットを提供することができる。
【００２８】
以下、実施の形態にかかるアクチュエータおよびアクチュエータセットについて、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
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だけでなく、他の部材等を介して間接的に接続される場合も含まれる。また、「固定される」とは、直接的に固定される場合だけでなく、他の部材等を介して間接的に固定される場合も含まれる。
【００３０】
（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。アクチュエータ１ａは、１本の第１アクチュエータ繊維２ａと、１本の第２アクチュエータ繊維２ｂとを備えている。第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂは、ベース部の一例としての板状部材５ａと相対変位部の一例としての板状部材６ａとの間に位置している。板状部材６ａの側方の周囲には、保持部の一例としてのフレーム部材８ａが設けられている。
【００３１】
第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂ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。第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂ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または第２アクチュエータ繊維２ｂに熱を加えることで、第１アクチュエータ繊維２ａまたは第２アクチュエータ繊維２ｂがそれぞれ収縮するように構成されている。なお、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂの単体の構成については、後で詳しく説明する。
【００３２】
第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとは、同一のばね形状で同一長さをしており、ばね定数が互いに等しい。同一ばね形状とは、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂ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。
【００３３】
なお、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂの数はそれぞれ１本に限られず、板状部材５ａと板状部材６ａの間に、複数本の第１アクチュエータ繊維２ａおよび複数本の第２アクチュエータ繊維２ｂが設けられていてもよい。その場合、複数の第１アクチュエータ繊維２ａの各々のばね定数と、複数の第２アクチュエータ繊維２ｂの各々のばね定数とは等しい関係となる。
【００３４】
第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂの一端側は、接続部材３ａ、３ｂを介して板状部材５ａにそれぞれ接続されている。また、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂの他端側は、接続部材４ａ、４ｂを介して板状部材６ａにそれぞれ接続されている。
【００３５】
接続部材３ａ、３ｂ、接続部材４ａ、４ｂ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。
【００３６】
板状部材６ａは、接続部材４ａに接続する支点部１５ａ、接続部材４ｂに接続する支点部１５ｂ、および、線状部材７ａに接続する支点部１５ｃを有している。板状部材６ａは、支点部１５ａ、１５ｂにおいて接続部材４ａ、４ｂに対してそれぞれ回転自由に接続されている。また、線状部材７ａは、支点部１５ｃにおいて板状部材６ａに対して回転自由に接続されている。線状部材７ａには、図１の下向きに負荷が作用するように構成されている。支点部１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、支点部１５ｃを中心に一直線上に配置されており、支点部１５ａと支点部１５ｃとの間隔は、支点部１５ｂと支点部１５ｃとの間隔と等しくなっている。
【００３７】
板状部材６ａの側方には、筒状のフレーム部材８ａが設けられている。フレーム部材８ａは、その側面が、第１アクチュエータ繊維２ａが延びる方向に垂直な方向において板状部材６ａの外側に位置するように配置されている。フレーム部材８ａは、線状の連結部材９ａ、９ｂを介して板状部材５ａに所定の距離を保って固定されている。なお、フレーム部材８ａは、筒状に限られず、対向する２枚の板材と２枚の板材に挟まれた複数の支柱とにより構成されていてもよい。
【００３８】
連結部材９ａ、９ｂ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。
【００３９】
フレーム部材８ａは断面が四角状の中空構造で、内側面に歯部１７ａが設けられている。また、板状部材６ａの両端には、爪部１６ａ、１６ｂが設けられており、板状部材６ａの姿勢が水平に近づくと爪部１６ａ、１６ｂと歯部１７ａとが噛み合う。この爪部１６ａ、１６ｂと歯部１７ａとを噛み合わせることで、駆動により変位した板状部材６ａの位置を維持することができる。
【００４０】
アクチュエータ１ａは制御部１０ａにより駆動される。制御部１０ａには、電源１１ａと、コントローラ１２ａと、スイッチ１４ａ、１４ｂとが備えられている。コントローラ１２ａは、スイッチ１４ａをオンオフすることで配線１３ａと電源１１ａとの接続状態を切り替え、第１アクチュエータ繊維２ａの通電を制御する。また、コントローラ１２ａは、スイッチ１４ｂをオンオフすることで配線１３ｂと電源１１ａとの接続状態を切り替え、第２アクチュエータ繊維２ｂの通電を制御する。配線１３ａは、板状部材５ａ、接続部材３ａを介して第１アクチュエータ繊維２ａと電気的に接続されている。同様に、配線１３ｂは、板状部材５ａ、接続部材３ｂを介して第２アクチュエータ繊維２ｂと電気的に接続されている。ただし、板状部材５ａにおいて、配線１３ａ、１３ｂは互いに導通しないよう構成されている。
【００４１】
接続部材３ａ、３ｂ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３ａ、３ｂが導電性のない素材の場合、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１３ａと第１アクチュエータ繊維２ａとの電気的接続、配線１３ｂと第２アクチュエータ繊維２ｂ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５ａ、接続部材３ａ、３ｂを介して電源１１ａと、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂとをそれぞれ電気的に接続しているが、これに限るものではなく、配線１３ａと第１アクチュエータ繊維２ａ、または、配線１３ｂと第２アクチュエータ繊維２ｂとを直接接続する構成としても良い。
【００４２】
また、電源１１ａには配線１３ｃが接続されている。配線１３ｃは線状部材７ａに接続されている。配線１３ｃは、線状部材７ａ、支点部１５ｃ、板状部材６ａ、支点部１５ａ、１５ｂ、接続部材４ａ、４ｂを介して、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂのそれぞれに電気的に接続されている。本実施の形態では、線状部材７ａ、支点部１５ｃ、板状部材６ａ、支点部１５ａ、１５ｂ、接続部材４ａ、４ｂがそれぞれ導電性を備えているとしているが、これに限るものではなく、配線１３ｃと第１アクチュエータ繊維２ａ、または、配線１３ｃと第２アクチュエータ繊維２ｂとを直接接続する構成としても良い。
【００４３】
第１アクチュエータ繊維２ａの温度は、スイッチ１４ａのオンオフ動作による通電加熱により調節される。第２アクチュエータ繊維２ｂの温度は、スイッチ１４ｂのオンオフ動作による通電加熱により調節される。温度調節は、電源１１ａが第１アクチュエータ繊維２ａまたは第２アクチュエータ繊維２ｂに印加する電圧の大きさ、または、電源１１ａが第１アクチュエータ繊維２ａまたは第２アクチュエータ繊維２ｂに流す電流の大きさで調節してもよいし、コントローラ１２ａがスイッチ１４ａ、１４ｂをオンオフする時間を例えばＰＷＭ駆動のように調節してもよい。制御部１０ａにより、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとに同等のエネルギーを投入することで、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとの温度を等しくすることができる。また、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂへの投入エネルギーに差を設けることで、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとに温度差をつけることができる。
【００４４】
本実施の形態にかかるアクチュエータ１ａは、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとの温度をそれぞれ調節することで、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとの長さをそれぞれ変えることができる。そして、これらの長さを変えることで板状部材６ａの傾きを変化させ、爪部１６ａ、１６ｂと歯部１７ａとを噛み合わせたり、噛み合わせを解除したりすることができる。
【００４５】
＜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８は、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、サイズや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および第２アクチュエータ繊維２ｂ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本の高分子繊維により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が、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。また、アクチュエータ繊維としては、モノフィラメントの繊維もマルチフィラメントの繊維も利用可能であるが、モノフィラメントの繊維がより性能が安定する。
【００４６】
図８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８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８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の周辺にある気体または液体の温度を変化させる方法または、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、印加する電圧の大きさ、または、流す電流の大きさを調節したり、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。また、通電加熱は直流または交流で実施可能である。
【００４７】
図９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９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９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９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９において上方に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と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。
【００４８】
一方で、取付部２２ｂに図９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９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９の（ｂ）に示す時と同様に図９において上方に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。
【００４９】
＜アクチュエータの動作＞
次に、アクチュエータ１ａの動作を説明する。
【００５０】
図１に示すアクチュエータ１ａにおいて、板状部材５ａは固定され、板状部材６ａは図１の下方向に負荷Ｆ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。ただし、爪部１６ａ、１６ｂが歯部１７ａに噛み込んでいる場合には、板状部材６ａに作用する負荷Ｆによって板状部材６ａが図１の下方向に移動することがないよう拘束される。
【００５１】
アクチュエータ１ａを動作させる場合、制御部１０ａのコントローラ１２ａによりスイッチ１４ａ、１４ｂを短絡または開放するようにそれぞれ制御する。スイッチ１４ａが短絡されると第１アクチュエータ繊維２ａが通電加熱され、第１アクチュエータ繊維２ａに上方への収縮力が発生する。スイッチ１４ｂが短絡されると第２アクチュエータ繊維２ｂが通電加熱され、第２アクチュエータ繊維２ｂに上方への収縮力が発生する。
【００５２】
図２は、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ａの相対変位部（板状部材６ａ）の変位を示す図である。なお、図２では、フレーム部材８ａや連結部材９ａ、９ｂが存在しない場合の状態を示している。
【００５３】
図２の（ａ）に示す状態は、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂが常温で、板状部材６ａに図２の下方向に負荷Ｆが加えられている状態である。板状部材６ａに作用する負荷Ｆは、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂによって支えられる。本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとが同一のばね形状で同一長さである。また、支点部１５ｃから支点部１５ａまでの距離と、支点部１５ｃから支点部１５ｂまでの距離とは等しくなっているので、板状部材６ａに作用する負荷Ｆに対して、第１アクチュエータ繊維２ａの長さの変位と第２アクチュエータ繊維２ｂの長さの変位が同じであり、板状部材６ａは、支点部１５ａ、１５ｂ、１５ｃが水平に並ぶ水平状態となる。
【００５４】
図２の（ｂ）に示す状態は、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとを同じ温度変化させた状態である。この状態では、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとに同じ収縮力が発生し、板状部材６ａは水平状態を保ったまま図２の上方向に変位する。
【００５５】
図２の（ｃ）に示す状態は、第１アクチュエータ繊維２ａよりも第２アクチュエータ繊維２ｂの温度が高くなるよう変化させた状態である。この状態では、第１アクチュエータ繊維２ａよりも第２アクチュエータ繊維２ｂの方が収縮し、板状部材６ａは支点部１５ｃを中心に水平状態から反時計回りに回転して傾いた状態になる。なお、各アクチュエータ繊維に温度差を設ける場合は、板状部材６ａの上下方向の位置に変化が起きないように、板状部材６ａの姿勢変化の前後で各アクチュエータ繊維の温度を足し合わせて求めた平均温度が等しくなるようにしてもよい。例えば、２０℃の温度差を設ける場合は、第２アクチュエータ繊維２ｂの温度を１０℃上げ、第１アクチュエータ繊維２ａの温度を１０℃下げればよい。
【００５６】
本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ａの温度変化と第２アクチュエータ繊維２ｂの温度変化を同じにすることで、板状部材６ａの位置を上下に変位させる。一方、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとに温度差を設けることで、板状部材６ａを、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂを含む面に垂直な軸周りの角度を変化させることができる。
【００５７】
図３は、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ａにおける相対変位部（板状部材６ａ）に示す状態を示す図である。図３の（ａ）は、板状部材６ａが係止された保持状態を示し、図３の（ｂ）は、板状部材６ａの係止が解除された解除状態を示している。
【００５８】
本実施の形態では、板状部材６ａの位置を変位させる場合、図３の（ｂ）に示すように、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとに温度差を発生させた状態、すなわち板状部材６ａを傾かせた状態で移動する。このようにすることで、爪部１６ａ、１６ｂが歯部１７ａに噛み込むことなく、板状部材６ａの位置を変位させられる。ただし、負荷Ｆが図３の上下方向だけでなく、左右方向の成分を有している場合などは、板状部材６ａが移動する際に爪部１６ａ、１６ｂが歯部１７ａに噛み込む危険性があるので、このような場合には、フレーム部材８ａの中心に板状部材６ａが位置するように、支点部１５ｃの左右位置を拘束するガイド部（図示省略）を設けてもよい。
【００５９】
板状部材６ａが目標位置に到着した後、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとの温度を等しくすることで、図３の（ａ）に示すように板状部材６ａの傾きを元に戻す。この傾きの変化により、爪部１６ａ、１６ｂが歯部１７ａに噛み込み、板状部材６ａがフレーム部材８ａに係止されて保持状態となる。なお、ここで示す傾きとは、円筒状のフレーム部材８ａの軸に対する板状部材６ａの傾きである。例えば、傾きが水平とは、円筒状のフレーム部材８ａの軸に対して支点部１５ａと１５ｂを結ぶ線が直角である場合をいう。
【００６０】
保持状態になると、負荷Ｆは、フレーム部材８ａ、連結部材９ａ、９ｂを介して板状部材５ａに伝達されることになり、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂにエネルギーを投入しなくても（常温に戻しても）、板状部材６ａの上下方向の位置を維持することができる。
【００６１】
そして再び、図３の（ｂ）に示すように、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとの温度に温度差をつける。すなわち、第２アクチュエータ繊維２ｂを収縮させるとともに、第１アクチュエータ繊維２ａを伸長させる。これにより、板状部材６ａとフレーム部材８ａとの係止を解除して解除状態とする。
【００６２】
このように、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ａは、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂの伸縮動作を用いて板状部材６ａの傾きを変化させることで、フレーム部材８ａに対して板状部材６ａを係止または係止解除させ、板状部材６ａを保持状態または解除状態に切り替えている。これにより、アクチュエータ１ａを駆動する場合は解除状態で自由に位置を変位させ、駆動により変位した位置を維持する場合は保持状態に切り替え負荷Ｆを保持することができる。その結果、アクチュエータ１ａに投入するエネルギー消費を抑制することができる。
【００６３】
なお、本実施の形態では、図２の（ａ）に示す板状部材６ａの状態を、支点部１５ａ、１５ｂ、１５ｃが図において水平に並んでいることから便宜上水平状態と説明し、図２の（ｃ）の状態を傾いた状態と説明している。しかし、これに限るものではなく、あくまで、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとを含む面に垂直な支点部１５ｃの軸周りの板状部材６ａの角度変化が、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとの温度差に応じて生じ、それに伴って、保持状態と解除状態とが切り替えられれば同様に実施可能である。
【００６４】
以上のように、本実施の形態によれば、アクチュエータ１ａの全体をほぼ線状の部材で構成しつつ、第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂの発生変位の差を制御部１０ａにより調節することで、保持状態と解除状態とを切り替えることができる。よって、柔軟かつ簡単な構成で発生した変位を保持可能なアクチュエータ１ａが得られる。
【００６５】
なお、本実施の形態では、同一ばね形状、同一長さの第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂを用いている。このようにすることは、ばね定数や投入エネルギーに対するアクチュエータ繊維の反応が等しくなり、扱いが容易になる。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２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂのばね定数が異なっていても、支点部１５ｃと支点部１５ａ、１５ｂとの距離をばね定数の比に応じて調整することで、板状部材６ａが変位したときに第１アクチュエータ繊維２ａおよび第２アクチュエータ繊維２ｂから受ける支点部１５ｃ周りのモーメントを釣り合わせることができるので、同様に実施可能である。
【００６６】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ａと第２アクチュエータ繊維２ｂとをそれぞれ１本のアクチュエータ繊維としているが、これに限るものではなく、複数のアクチュエータ繊維で構成してもよい。
【００６７】
（実施の形態１の変形例）
図４は、実施の形態１の変形例にかかるアクチュエータセット３１ａを示す図である。
【００６８】
アクチュエータセット３１ａは、ベース部の一例としての板状部材５ｂを共有する形で、アクチュエータ１ａを並列に配置した構造となっている。２つのアクチュエータ１ａは、配線１３ａ、１３ｂ、１３ｃも共有している。したがって、制御部１０ａによって、２つのアクチュエータ１ａは連動して動作される。このように構成すると、並列配置された複数のアクチュエータ１ａで負荷を保持できるので、それぞれのアクチュエータ１ａにかかる負担は小さくなる。よって、より細いアクチュエータ繊維を利用できるので、全体として薄型なアクチュエータセット３１ａが得られる。
【００６９】
なお、この変形例では、２つのアクチュエータ１ａは単一の制御部１０ａによって駆動されているが、これに限るものではなく、２つのアクチュエータ１ａのそれぞれを異なる制御部によって駆動してもよい。
【００７０】
なお、この変形例のアクチュエータセット３１ａでは、２つのアクチュエータ１ａを並列配置しているが、これに限るものではなく、３つ以上のアクチュエータ１ａを並列配置してもよい。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
（実施の形態２）
＜アクチュエータの構成＞
図５は、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ｂの概略を示す図である。アクチュエータ１ｂは、１本の第１アクチュエータ繊維２ｃと、１本の第２アクチュエータ繊維２ｄとを備えている。第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄは、ベース部の一例としての板状部材５ｃと相対変位部の一例としての板状部材６ｂとの間に位置している。板状部材６ｂの側方の周囲には、保持部の一例としてのフレーム部材８ｂが設けられている。
【００７４】
第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄ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。第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄ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または第２アクチュエータ繊維２ｄに熱を加えることで、第１アクチュエータ繊維２ｃまたは第２アクチュエータ繊維２ｄがそれぞれ収縮するように構成されている。
【００７５】
第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄとは、同一のばね形状で同一長さをしており、ばね定数が互いに等しい。同一ばね形状とは、第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄ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。
【００７６】
なお、第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄの数はそれぞれ１本に限られず、板状部材５ｃと板状部材６ｂの間に、複数本の第１アクチュエータ繊維２ｃおよび複数本の第２アクチュエータ繊維２ｄが設けられていてもよい。その場合、複数の第１アクチュエータ繊維２ｃの各々のばね定数と、複数の第２アクチュエータ繊維２ｄの各々のばね定数とは等しい関係となる。
【００７７】
第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄの一端側は、接続部材３ｃ、３ｄを介して板状部材５ｃにそれぞれ接続されている。また、第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄの他端側は、接続部材４ｃ、４ｄを介して板状部材６ｂにそれぞれ接続されている。
【００７８】
接続部材３ｃ、３ｄ、接続部材４ｃ、４ｄ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であってもよい。
【００７９】
板状部材６ｂは、接続部材４ｃに接続する支点部１５ｄ、接続部材４ｄに接続する支点部１５ｅ、および、線状部材７ｂに接続する支点部１５ｆを有している。板状部材６ｂは、支点部１５ｄ、１５ｅにおいて接続部材４ｃ、４ｄに対してそれぞれ回転自由に接続されている。また、線状部材７ｂは、支点部１５ｆにおいて板状部材６ｂに対して回転自由に接続されている。線状部材７ｂには、図５の下向きに負荷が作用するように構成されている。支点部１５ｄ、１５ｅ、１５ｆは、支点部１５ｆを中心に一直線上に配置されており、支点部１５ｄと支点部１５ｆとの間隔は、支点部１５ｅと支点部１５ｆとの間隔と等しくなっている。
【００８０】
板状部材６ｂには、さらに支点部１５ｄにおいて回転自由にリンク部材１８ａが接続されている。また、板状部材６ｂは、リンク部材１８ｂに接続する支点部１９ｂを有している。リンク部材１８ｂは、支点部１９ｂにおいて板状部材６ｂに対して回転自由に接続されている。また、リンク部材１８ａ、１８ｂにはそれぞれ支点部１９ａ、１９ｃが設けられ、支点部１９ａ、１９ｃにおいて回転自由にリンク部材１８ｃが設けられている。これにより、板状部材６ｂとリンク部材１８ａ、１８ｂ、１８ｃとで４節リンクが構成されている。４節リンクにおける支点部１９ａ、１９ｃ同士、支点部１９ｂ、１９ｃ同士、支点部１９ａ、１５ｄ同士、および、支点部１９ｂ、１５ｄ同士の間隔は等しくなっている。
【００８１】
板状部材６ｂおよびリンク部材１８ａ、１８ｂ、１８ｃの側方には、筒状のフレーム部材８ｂが設けられている。フレーム部材８ｂは、その側面が、第１アクチュエータ繊維２ｃが延びる方向に垂直な方向において板状部材６ｂの外側に位置するように配置されている。フレーム部材８ｂは、線状の連結部材９ｃ、９ｄを介して板状部材５ｃに所定の距離を保って固定されている。なお、フレーム部材８ｂは、筒状に限られず、対向する２枚の板材と２枚の板材に挟まれた複数の支柱とにより形成されていてもよい。
【００８２】
連結部材９ｃ、９ｄ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。
【００８３】
フレーム部材８ｂは断面が四角状の中空構造で、内側面に歯部１７ｂが設けられている。さらに、フレーム部材８ｂの内面には溝状のガイド部２０が設けられている。支点部１５ｄ、支点部１９ｃは、ガイド部２０により図５の左右方向に拘束され、上下方向には移動自由に案内される。このように構成することで、板状部材６ｂの角度変化に応じてリンク部材１８ａ、１８ｂ、１８ｃも連動して動作し、４節リンクが左右方向に伸縮する。リンク部材１８ａの端部および板状部材６ｂの端部には、それぞれ爪部１６ｃ、１６ｄが設けられており、板状部材６ｂが水平状態から傾き、４節リンクが左右方向に開いて動くと、爪部１６ｃ、１６ｄと歯部１７ｂとが噛み合う。この爪部１６ｃ、１６ｄと歯部１７ｂとを噛み合わせることで、駆動により変位した板状部材６ｂの上下方向の位置を維持することができる。
【００８４】
アクチュエータ１ｂは制御部１０ｂにより駆動される。制御部１０ｂには、電源１１ｂと、コントローラ１２ｂと、スイッチ１４ｃ、１４ｄとが備えられている。コントローラ１２ｂは、スイッチ１４ｃをオンオフすることで配線１３ｄと電源１１ｂとの接続状態を切り替え、第１アクチュエータ繊維２ｃの通電を制御する。また、コントローラ１２ｂは、スイッチ１４ｄをオンオフすることで配線１３ｅと電源１１ｂとの接続状態を切り替え、第２アクチュエータ繊維２ｄの通電を制御する。配線１３ｄは、板状部材５ｃ、接続部材３ｃを介して第１アクチュエータ繊維２ｃと電気的に接続されている。同様に、配線１３ｅは、板状部材５ｃ、接続部材３ｄを介して第２アクチュエータ繊維２ｄと電気的に接続されている。ただし、板状部材５ｃにおいて、配線１３ｄ、１３ｅは互いに導通しないよう構成されている。
【００８５】
接続部材３ｃ、３ｄ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３ｃ、３ｄが導電性のない素材の場合、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１３ｄと第１アクチュエータ繊維２ｃとの電気的接続、配線１３ｅと第２アクチュエータ繊維２ｄ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５ｃ、接続部材３ｃ、３ｄを介して電源１１ｂと、第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄとをそれぞれ電気的に接続しているが、これに限るものではなく、配線１３ｄと第１アクチュエータ繊維２ｃ、または、配線１３ｅと第２アクチュエータ繊維２ｄとを直接接続する構成としても良い。
【００８６】
また、電源１１ｂには配線１３ｆが接続されている。配線１３ｆは線状部材７ｂに接続されている。配線１３ｆは、線状部材７ｂ、支点部１５ｆ、板状部材６ｂ、支点部１５ｄ、１５ｅ、接続部材４ｃ、４ｄを介して、第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄのそれぞれに電気的に接続されている。本実施の形態では、線状部材７ｂ、支点部１５ｆ、板状部材６ｂ、支点部１５ｄ、１５ｅ、接続部材４ｃ、４ｄがそれぞれ導電性を備えているとしているが、これに限るものではなく、配線１３ｆと第１アクチュエータ繊維２ｃ、または、配線１３ｆと第２アクチュエータ繊維２ｄとを直接接続する構成としても良い。
【００８７】
第１アクチュエータ繊維２ｃの温度は、スイッチ１４ｃのオンオフ動作による通電加熱により調節される。第２アクチュエータ繊維２ｄの温度は、スイッチ１４ｄのオンオフ動作による通電加熱により調節される。温度調節は、電源１１ｂが第１アクチュエータ繊維２ｃまたは第２アクチュエータ繊維２ｄに印加する電圧の大きさ、または、電源１１ｂが第１アクチュエータ繊維２ｃまたは第２アクチュエータ繊維２ｄに流す電流の大きさで調節してもよいし、コントローラ１２ｂがスイッチ１４ｃ、１４ｄをオンオフする時間を例えばＰＷＭ駆動のように調節してもよい。制御部１０ｂにより、第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄに同等のエネルギーを投入することで第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄとの温度を等しくすることができる。また、第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄへの投入エネルギーに差を設けることで、第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄとに温度差をつけることができる。
【００８８】
本実施の形態にかかるアクチュエータ１ｂは、第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄの温度をそれぞれ調節することで、第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄの長さをそれぞれ変えることができる。そして、これらの長さを変えることで板状部材６ｂおよびリンク部材１８ａの傾きを変化させ、爪部１６ｃ、１６ｄと歯部１７ｂとを噛み合わせたり、噛み合わせを解除したりすることができる。
【００８９】
＜アクチュエータの動作＞
次に、アクチュエータ１ｂの動作を説明する。
【００９０】
図５に示すアクチュエータ１ｂにおいて、板状部材５ｃは固定され、板状部材６ｂおよびリンク部材１８ａ、１８ｂ、１８ｃは図５の下方向に負荷Ｆが加えられた状態で、図５の上下方向に自由に移動できるように構成されている。ただし、爪部１６ｃ、１６ｄが歯部１７ｂに噛み込んでいる場合には、板状部材６ｂに作用する負荷Ｆによって板状部材６ｂ、リンク部材１８ａ、１８ｂ、１８ｃが図５の下方向に移動することがないよう拘束される。
【００９１】
アクチュエータ１ｂを動作させる場合、制御部１０ｂのコントローラ１２ｂによりスイッチ１４ｃ、１４ｄを短絡または開放するようにそれぞれ制御する。スイッチ１４ｃが短絡されると第１アクチュエータ繊維２ｃが通電加熱され、第１アクチュエータ繊維２ｃに上方への収縮力が発生する。スイッチ１４ｄが短絡されると第２アクチュエータ繊維２ｄが通電加熱され、第２アクチュエータ繊維２ｄに上方への収縮力が発生する。
【００９２】
図６は、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ｂの相対変位部（板状部材６ｂ）の変位を示す図である。図６の（ａ）は、板状部材６ｂの係止が解除された解除状態を示し、図６の（ｂ）は、板状部材６ｂが係止された保持状態を示している。
【００９３】
本実施の形態では、板状部材６ｂの位置を変位させる場合、図６の（ａ）に示すように、第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄに温度差が生じない状態で駆動する。すなわち板状部材６ｂを傾かせない状態（支点部１５ｄ、１５ｅ、１５ｆを繋ぐ直線が水平になった状態）で駆動する。このようにすることで、爪部１６ｃ、１６ｄが歯部１７ｂに噛み込むことなく、板状部材６ｂの位置を変位させられる。
【００９４】
板状部材６ｂが目標位置に到着した後、第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄとに温度差を生じさせる。具体的には、第１アクチュエータ繊維２ｃの温度を下げ、第２アクチュエータ繊維２ｄの温度を上昇させる。これにより、図６の（ｂ）に示すように、板状部材６ｂを支点部１５ｆ中心に反時計まわりに回転させ、傾きを変化させる。その回転とともに、４節リンクによりリンク部材１８ａが時計まわりに回転するので、爪部１６ｃ、１６ｄが歯部１７ｂに噛み込み、板状部材６ｂがフレーム部材８ｂに係止されて保持状態となる。保持状態になると、負荷Ｆは、フレーム部材８ｂ、連結部材９ｃ、９ｄを介して板状部材５ｃに伝達されることになり、第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄにエネルギーを投入しなくても（常温に戻しても）、板状部材６ｂの上下方向の位置を維持することができる。
【００９５】
そして再び、図６の（ａ）に示すように、第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄとの温度を同じにする。すなわち、第１アクチュエータ繊維２ｃの温度を上げ、第２アクチュエータ繊維２ｄの温度を下げ、同じ長さにする。これにより、板状部材６ｂおよびリンク部材１８ａとフレーム部材８ｂとの係止を解除して解除状態とする。
【００９６】
このように、本実施の形態にかかるアクチュエータ１ｂは、第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄの伸縮動作を用いて板状部材６ｂおよびリンク部材１８ａの傾きを変化させることで、フレーム部材８ｂに対して板状部材６ｂおよびリンク部材１８ａを係止または係止解除させ、板状部材６ｂを保持状態または解除状態に切り替えている。これにより、アクチュエータ１ｂを駆動する場合は解除状態で自由に位置を変位させ、駆動により変位した位置を維持する場合は保持状態に切り替え負荷Ｆを保持することができる。その結果、アクチュエータ１ｂのエネルギー消費を抑制することができる。
【００９７】
なお、本実施の形態では、図６の（ａ）に示す板状部材６ｂの状態を、支点部１５ｄ、１５ｅ、１５ｆが図において水平に並んでいることから便宜上水平状態と説明し、図６の（ｂ）の状態を傾いた状態と説明している。しかし、これに限るものではなく、あくまで、第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄとを含む面に垂直な支点部１５ｆの軸周りの板状部材６ｂの角度変化が、第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄとの温度差に応じて生じ、それに伴って、保持状態と解除状態とが切り替えられれば同様に実施可能である。
【００９８】
以上のように、本実施の形態によれば、アクチュエータ１ｂの全体をほぼ線状の部材で構成しつつ、第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄの発生変位の差を制御部１０ｂにより調節することで保持状態と解除状態とを切り替えることができる。よって、柔軟かつ簡単な構成で発生した変位を保持可能なアクチュエータ１ｂが得られる。
【００９９】
なお、本実施の形態では、同一ばね形状、同一長さの第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄを用いている。このようにすることは、ばね定数や投入エネルギーに対するアクチュエータ繊維の反応が等しくなり、扱いが容易になるの。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２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄのばね定数が異なっていても、支点部１５ｆと支点部１５ｄ、１５ｅとの距離をばね定数の比に応じて調整することで、板状部材６ｂが変位したときに第１アクチュエータ繊維２ｃおよび第２アクチュエータ繊維２ｄから受ける支点部１５ｆ周りのモーメントを釣り合わせることができるので、同様に実施可能である。
【０１００】
なお、本実施の形態では、第１アクチュエータ繊維２ｃと第２アクチュエータ繊維２ｄとをそれぞれ１本のアクチュエータ繊維としているが、これに限るものではなく、複数のアクチュエータ繊維で構成してもよい。
【０１０１】
（実施の形態２の変形例）
図７は、実施の形態２の変形例にかかるアクチュエータセット３１ｂを示す図である。
【０１０２】
アクチュエータセット３１ｂは、互いの線状部材とベース部とが接続されるように、アクチュエータ１ｂと同構成の３つのアクチュエータ１ｃ、１ｄ、１ｅを直列に配置した構造となっている。
【０１０３】
アクチュエータセット３１ｂでは、アクチュエータ１ｃの線状部材７ｃとアクチュエータ１ｄの板状部材５ｅとを連結し、アクチュエータ１ｄの線状部材７ｄとアクチュエータ１ｅの板状部材５ｆとを連結している。アクチュエータ１ｅの線状部材７ｅには、図７の下向きに負荷Ｆが作用するように構成されている。アクチュエータ１ｃ、１ｄ、１ｅは、図示していないが、それぞれの制御部によって独立に通電され駆動される。このような構成のもと、アクチュエータ１ｃの板状部材５ｄを所定の位置に固定することで、アクチュエータ１ｃ、１ｄ、１ｅを変位させるアクチュエータセット３１ｂが得られる。
【０１０４】
アクチュエータセット３１ｂは、アクチュエータ１ｃ、１ｄ、１ｅを全て保持状態にすることで、アクチュエータ１ｂと同様に、エネルギー消費を抑制しながら負荷Ｆを保持できる。また、アクチュエータセット３１ｂは、アクチュエータ１ｃ、１ｄを保持状態にすることで、保持位置から下に１つのアクチュエータ１ｅを有する構成となる。これにより、アクチュエータ１ｃ、１ｄ、１ｅ全体の１／３の弾性を有しつつ、エネルギー消費を抑制しながら負荷Ｆを保持できる。同様に、アクチュエータセット３１ｂは、アクチュエータ１ｃを保持状態にすることで、保持位置から下に２つのアクチュエータ１ｄ、１ｅを有する構成となる。これにより、アクチュエータ１ｃ、１ｄ、１ｅ全体の２／３の弾性を有しつつ、エネルギー消費を抑制しながら負荷Ｆを保持できる。よって、エネルギー消費を抑制しながら負荷Ｆを保持するとともに、保持状態における弾性を切り替えることが可能なアクチュエータセット３１ｂが得られる。
【０１０５】
なお、この変形例では、アクチュエータセット３１ｂが、３つのアクチュエータ１ｃ、１ｄ、１ｅにより構成されているが、これに限るものではなく、２以上の任意の数のアクチュエータで構成されてもよい。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
以上、一つまたは複数の態様に係るアクチュエータおよびアクチュエータセットについて、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】
【０１０９】
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や、軽量なリニアアクチュエータとしてや、面状で曲げることも可能な布状アクチュエータとしても利用可能である。
【符号の説明】
【０１１０】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ  アクチュエータ
２ａ、２ｃ  第１アクチュエータ繊維
２ｂ、２ｄ  第２アクチュエータ繊維
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ  接続部材
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ  接続部材
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ  板状部材（ベース部）
６ａ、６ｂ  板状部材（相対変位部）
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ  線状部材
８ａ、８ｂ  フレーム部材（保持部）
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ  連結部材
１０ａ、１０ｂ  制御部
１１ａ、１１ｂ  電源
１２ａ、１２ｂ  コントローラ
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ  配線
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ  スイッチ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ  支点部
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ  爪部
１７ａ、１７ｂ  歯部
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ  リンク部材
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ  支点部
２０  ガイド部
２１  アクチュエータ繊維
２２ａ、２２ｂ  取付部
３１ａ、３１ｂ  アクチュエータセット
【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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