(57)【要約】【課題】各種の機械、装置、特にロボット関連機器の駆動デバイスとして使用できるソフトアクチュエータを提供する。【解決手段】基幹材のカバーコードの両端部分を連結部とし、中間部分を作動部とし、作動部腔内に電場的或いは磁場的の刺激に応じて体積が膨張或いは縮小、または形状が変化する作動素子を充填する。電場的或いは磁場的刺激を与えることにより、作動素子の半径方向に生じた変形力を、カバーコードによって作動部の軸方向の変形力に変換させる手段を、有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基幹材のカバーコードの両端部分を連結部とし、中間部分を作動部とする、作動部腔内に電場的或いは磁場的刺激に応じて体積が膨張或いは縮小し、または形状が変化する作動素子を充填する。電場的或いは磁場的刺激を与えることにより、作動素子の半径方向の変形力を、カバーコードによって作動部の軸方向の変形力に変換させる手段を、有することを特徴とするソフトアクチュエータ。
【請求項２】
前記請求項１のソフトアクチュエータを基本単位とし、その多数を軸方向に直列連結、または、並列に連結し、或いは直列、並列を同時に連結することにより、作動ストロークの幅、作動出力の強さを調整する手段、を有することを特徴とする複合材料からなるソフトアクチュエータの集合体。
【請求項３】
作動素子の物性、構成、サイズ、または、作動素子に与える電場的或いは磁場的の刺激のパターンを調整することにより、作動出力のパターンを調整する手段、を有することを特徴とする請求項１、２の複合材料からなるソフトアクチュエータ及び複合材料からなるソフトアクチュエータの集合体。
【請求項４】
請求項１、２、３の複合材料からなるソフトアクチュエータ及び其の集合体を有する装置、機器、製品。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電気エネルギーを変形エネルギーに変換するソフトアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、各種の機械、装置、特にロボット関連用のアクチュエータとして、電磁モーター、マッキベン型アクチュエータ（例えば、下記特許文献１、非特許文献１）などが使われている、しかしこれらの伝統的なハードアクチュエータは諸問題があり、例えば、電磁モーターの場合は変速機構は必要なので、構造が複雑、重量、振動、ノイズの問題点はある。マッキベン型アクチュエータの場合は空気などの流体をチューブに圧入するためコンプレッサー、給配気ホース、給配気バルブ、更にバルブを制御する電気系統など大かかりの装置は不可欠である、つまり、電気系統と流体系統の二重系統は必要なので、構造が煩雑、重量、携帯困難、微細動作の制御が難しい問題点はある。一方長年来、介護機器、リハビリ機器、アミューズメント機器等用のアクチュエータとしては機能上、性能上で、非剛性、構造簡単、軽量、ノイズフリー運転、繊細な動作を容易に制御できる、等の要請はあった。【０００３】  上記電磁モーター、マッキベン型等のアクチュエータの諸問題点を解決するために、長年静電力、イオン力、電磁力などを利用するソフトアクチュエータ（人工筋肉よもいう）の研究開発がなされ、電気駆動型高分子（Ｅｌｅｃｔｏｒ−Ａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ，ＥＡＰ）、導電性高分子薄膜（Ｉｏｎｉｃ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｆｉｌｍ，ＩＣＰＦ）をベースとしたソフトアクチュエータ、エラストマー系材料に粉体磁気性物質を混合した材料を用いた電磁式ソフトアクチュエータなどが提案されている。【０００４】  たとえば下記特許文献２に示すイオン交換樹脂型アクチュエータは、イオン交換樹脂膜とそのイオン交換樹脂膜の両面に接合した電極とからなり、イオン交換樹脂膜の含水状態においてイオン交換樹脂膜に電位差をかけてイオン交換樹脂膜に湾曲および変形力を生じさせるソフトアクチュエータである。【０００５】  また、たとえば下記特許文献３に示す電磁式アクチュエータは、磁気性粉体を配合したエラストマー材料にコイルを埋入し、与える電流の方向及びコイルの構成によってエラストマー材料に変形力を生じさせるソフトアクチュエータである。【０００６】  更に、例えば下記特許文献４に示す導電性高分子アクチュエータはバイモルフ構造を有する積層体において、２つの樹脂層を備えた積層体であり、第１の樹脂層が導電性樹脂を基体樹脂とする樹脂層であって、アニオンの取込み及び放出することにより伸縮可能な樹脂層であり、第２の樹脂層が導電性樹脂を基体樹脂とする樹脂層であって、印加する電圧の極性により、カチオンの取込み及び放出することにより積層体全体としての膨張または収縮の変形力を生じさせるソフトアクチュエータである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−４０３６５号
【特許文献２】特開平４−２７５０７８号
【特許文献３】ＰＣＴ／ＪＰ２００８／０７２２４９
【特許文献４】特開２００９−１０７３４２
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｐａｎａｓｏｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｖｏｌ．５６  Ｎｏ．３  Ｏｃｔ．２０１０「ロボット特集：人に対して安全な多自由度／空気圧人工筋肉ロボットアームの開発」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  上記特許文献及び非特許文献に示したのように単一の変形性材料からなるソフトアクチュエータ、即ち作動機能と連結機能を同一の材料で担うソフトアクチュエータは、作動する他のパーツと少なくても二箇所以上の連結箇所は必要とし、更に、作動による引張破裂力を直に受けるため、得られる作動力は原理的に材料自身の引張破裂強度及び連結強度以上になれない、言い換えると、作動と連結二つの機能を同一材料で担えば、作動力の強さは材料自身の引張破裂強度及び連結強度以上に達すると、材料自身は断裂してしまい、得られる作動出力の強さは自ずと制限されている問題点はある。【００１０】  そこで、本発明は、複合材料を用いて、上記した問題点の解消を期し、構造はシンプルで、軽量、ノイズフリー、携行に便利な、強固に連結できるソフトアクチュエータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  公知の通り、理想的なソフトアクチュエータは生体筋肉である。一般的に人間の体の動きは関節を跨がる一対の骨格筋（随意筋、拮抗筋ともいうが、組織学では横紋筋という）の収縮によって行われる。骨格筋は腱と筋肉の２つの部分からなり、筋腹（筋肉の集合体）の両端が腱部分で、その一方は骨に仲介物として連結し、もう一方は細胞レベルで多数の筋原繊維と結合され、連結機能を担う。多数の筋原繊維からなる筋腹部分が脳からの作動信号により約２０％程度収縮し、作動機能を担う。つまり、骨格筋の特徴は、、筋肉は連結する機能はなく、腱の部分は作動（収縮）する機能はないように別々の役割を分担する。このような連結機能と作動機能が分離された仕組みの利点は、構造がシンプルで、連結強度と筋肉の収縮力（作動力）を共に最大限に活かせ、最も大きな出力、強靭性、耐用性を得られる、そして迅速、正確に作動でき、且つエネルギーを効率的に利用できると考えられる。【００１２】  以上課題の下本件発明者は、生体筋肉の仕組みからヒントを得て、カバーコードを基幹材にし、其の両端部分を連結部とし、中間部分を作動部とする。該作動部腔内に電場的或いは磁場的の刺激に応じて体積が膨張または縮小、或いは形状が変化する素子、例えば、単一材料からなるソフトアクチュエータ（以下”作動素子”という、）を充填する。作動素子に電場的或いは磁場的の刺激を与え、作動素子の半径方向の変形力を、カバーコードによって作動部の軸方向の変形力に変換させる手段を、有することを特徴とするソフトアクチュエータを提供する。【００１３】  更に、本発明は、多数の上記基本単位を軸方向に直列連結、または、並列に連結し、或いは直列、並列を同時に連結することにより、作動ストロークの幅、作動出力の強さを調整する手段、を有することを特徴とする複合材料からなるソフトアクチュエータの集合体。【００１４】  更に、本発明は、作動素子の物性、構成、サイズ、または、作動素子に与える電場的或いは磁場的の刺激のパターンを調整することにより、作動出力のパターンを調整する手段、を有することを特徴とする複合材料からなるソフトアクチュエータまたは複合材料からなるソフトアクチュエータの集合体。
【発明の効果】
【００１５】  本発明によれば、構造はシンプルで、軽量、ノイズフリー、携行に便利な、強固に連結できるソフトアクチュエータを提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明の実施例１を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例２を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例３を説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施形態】
【００１７】  以下、図面を参照しながら本発明を説明する。図１は、本発明の複合材料からなるソフトアクチュエータの一実施形態の基本単位２０を説明するための図であり、図１（ａ）は基本単位２０の側面図であり、図中カバーコード１は弾力性の少ないナイロン系繊維の糸で丸編みした筒状のもの（丸編みチューブとも、筒編みスリーブとも言う）を基幹とし、その特徴は軸方向にのみ拘束力があるから腔内半径方向の膨張力を軸方向の収縮力に変換できる。逆に、軸方向の伸長力は腔内半径方向の縮小力に変えることができる。つまり、カバーコード１の長さの変化は腔内半径方向の変化と反比例である。尚、図１（ａ）は通電していない時の中間状態を示す。
【００１８】  本実施形態ではカバーコード１の両端を縄状に束ね、樹脂で固めて連結部２とし、中間部分を作動部３とする、作動部３腔内に作動素子として、橄欖形の積層導電性高分子材料セル４（以下、セル４という）を充填する。本積層導電性高分子材料セル４の特性は、正電圧（電気回路等の表示は省略、以下同）を印加される場合は体積が半径方向に膨張し、負電圧を印加される場合は体積が半径方向に縮小する。本実施形態では、作動部３の長さとセル４のボリュームの比例は、セル４に正電圧を印加される場合、半径方向の膨張変形が作動部３に最大約２０％の短縮を齎せ、負電圧印加される場合、半径方向の縮小変形が作動部３に最大約２０％の伸長できるように設定する。作動部３の外周にセル４用の電気導線５は柔軟性導線を用い、作動部３の外周寸法変化に合わせて、曲げたり、伸びたりできるように織り込む。連結部２の上端２０１を固定物６に固着し、下端２０２を出力端とし、錘１６を連結する。本実施形態で示すように連結部２と作動部３はそれぞれ連結機能と作動機能の役割を分担するので、カバーコード１は弾力性の無い、強靭な繊維素材を使え、そして、多様な方法で強固に連結することができる、其の連結強度は作動材料の強度と出力の強さは無関係である。また、作動材料セル４は連結機能と無関係である。
【００１９】  セル４に正電圧の駆動信号を印加すれば（電気回路の表示を省略する）、作動部３の腔内にある作動材料セル４は半径方向に膨張する、この膨張変形力は、カバーコード１の構造によって作動部３の軸方向の収縮力に変換され、作動部３は短くなる。結果として、図１（ｂ）に示すように、出力端２０２で相応の収縮力と作動ストロークを得られ、錘１６は上方に運動る。正駆動信号を止めれば、セル４は元の長さに戻り、、錘１６は中間位置に戻る。逆に、セル４に負電圧を印加すれば、作動部３の腔内にある作動材料セル４は半径方向に縮小する、錘１６の重力とカバーコード１の構造によって作動部３の軸方向の伸長力に変換され、作動部３は長くなる。結果として、図１（ｃ）に示すように、錘１６は下方に運動る。負駆動信号を止めれば、セル４は元の長さに戻り、、錘１６は中間位置に戻る。
【実施例１】
【００２０】  図２は、本発明の実施形態に従った実施例１を説明するための図であり、上記実施形態の基本単位２０を用い、人工筋肉として人間の上肢を模擬したロボットアーム３０を構成する。図２（ａ）は未通電の状態で、図中のパーツ１０、パーツ１１、パーツ１２、パーツ１３は、それぞれ上腕骨、前腕骨、上腕二頭筋、上腕三頭筋に見立てる。パーツ１０とパーツ１１はジョイント１４で連結される。パーツ１２は上記基本単位２０の５個分を直列に連結した集合体を一つの作動デバイスとして機能し、電気導線を電気回路５０に連結する（電気回路５０の詳細を省略する、以下同）。パーツ１２の一端はパーツ１０の上端に固着され、もう一端はパーツ１１に固着される。パーツ１３も同様基本単位２０の５個分を直列に連結した集合体を一つの作動デバイスとして機能し、図２（ａ）に示すようにパーツ１０を隔ててパーツ１２の反対側に装着され、その一端はパーツ１０の上端反面に固着され、もう一端はパーツ１１に固着される。【００２１】  ロボットアーム３０を水平位置（パーツ１０とパーツ１１は同一水平面）に設置し、パーツ１２に正電圧駆動信号を印加すれば、パーツ１２全体が収縮し、同時にパーツ１３に負電圧を印加すれば、パーツ１３全体が伸長し、よって図２（ｂ）に示すようにパーツ１１は屈折方向に動いた。逆に、パーツ１２に負電圧駆動信号を印加すれば、パーツ１２全体が伸長し、同時にパーツ１３に正電圧を印加すれば、パーツ１３全体が収縮し、図２（ｃ）に示すようにパーツ１１は伸展方向に動いた。【００２２】  前述の基本作動原理に基づき、電気回路５０より出力する駆動信号の極性、電圧、頻度、タイミングなどを変化させれば、ロボットアーム３０に多様な動作をさせる事ができる。
【実施例２】
【００２３】  図３は、前述の実施形態に従った実施例２を説明するための図であり、実施例２では、前述基本単位２０を用い、空気圧バンド式マッサージャ用の「カフ」（圧縮袋とも言う）のを構成する。実施例１と同じ部分には同じ符号を付し重複する説明は省略する。「カフ」とはバンドのことで、一般的に輪っか状にして使う。従来の空気圧バンド式マッサージャ用のカフの作動手段、つまり、カフの内径を変化させる手段は、電気エネルギーで、空気圧縮機（エアーポンプ）を回し、給排気機構などによって、カフ内に空気を圧入し、或いは排出し、カフを膨ませたり萎ませたりするものである。このような従来のカフを「空気圧式カフ」という。【００２４】  従来の「空気圧式カフ」の作動手段で分かるように、作動させるには空気圧縮機及び給気機構などは不可欠である、よって、空気圧縮機及びモーター、給気機構自体の重さは大きく、給気ホース、給気制御バルプなどが必要なので機器全体の構造は大きく、複雑で、そして、運転時の騒音、振動、更に携帯に不便などの問題点はある。【００２５】  図３（ａ）は、バンド式マッサージャ用カフ７の構造を示す図であり、図中カフ７の本体は丈夫な生地で縫製されたもので、其の中に長尺方向に沿って、上記基本単位２０の５個分を直列に連結した集合体２１，２２，２３を並列に設けて、カフ７の中に入れ、それぞれの両端とをカフ７に縫い付ける。列ごとに配線を配置し別々駆動するように電気回路５０に連結する。カフ７の両端に連結用マジックテープ１５を縫い付ける。【００２６】  図３（ｂ）は、カフ７を小腿部に巻きつけて、稼働する状態を示す図である。電気回路５０より一斉に正電圧駆動信号を集合体２１，２２，２３に印加すれば、集合体２１，２２，２３が同時に収縮し脹脛を圧迫し、駆動信号が止めれば、集合体２１，２２，２３は元の長さに戻る、この伸縮作動により、マッサージ効果を得られる。或いは、電気回路５０より集合体２１，２２，２３に順番或いは逆順番、または個々に一定の間隔をおいて、正電圧駆動信号を印加すれば、集合体２１，２２，２３が別々に収縮し脹脛を圧迫し、多様なマッサージ効果を得られる。本実施例のカフ７を用いたバンド式マッサージャは、エアーポンプ、給気ホースなどは不要で、軽量、ノイズフリー、携帯に便利のため、多様な環境で使用することができ、特にエコノミークラス症候群の予防に適宜する。そして、小腿部だけではなく、上腕など他の部位のマッサージにも応用できる。
【実施例３】
【００２７】  図４は、前述の実施形態に従った実施例３の電子式血圧計用のカフ８を説明するための図であり、図４（ａ）中カフ８の本体は丈夫な生地で縫製されたもので、其の中に長尺方向に沿って、前述基本単位２０の５個分を直列に連結した集合体２４を設けて、カフ８の中に入れ、両端とをカフ８に縫い付ける。集合体２４の電気導線を電気回路５０に連結する。尚、血流の動きを検知するセンサー９をカフ８の中に設け、電気導線を電気回路５０に連結する。カフ８の両端に連結用マジックテープ１５を縫い付ける。【００２８】  図４（ｂ）は、カフ８を上腕に巻きつけて、使用する状態を示す図である。集合体２４に電気回路５０より正電圧の駆動信号を印加すれば、集合体２４は収縮し上腕の血管を圧迫する、同時にセンサー９の検知及び電気回路５０の処理により、収縮期と拡張期の血圧及び脈拍等測定し、表示する。本実施例のカフ８を用いた電子式血圧計は、エアーポンプ、給気ホースなどを不要で、軽量、ノイズフリー、携帯に便利のため、多様な環境で使用することができる。【００２９】  本発明は、上述した発明の実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加え得ることは勿論である。尚、カバーコードの材質、構成においては、十分な強度を有する各種の繊維素材でよく、効率的に腔内半径方向の変形力を軸方向の伸縮力に出現させるものであればよい。作動部腔内に充填する作動素子の材質、構成においては、電場的或いは磁場的の刺激に応じて体積が膨張或いは縮小し、または形状の変化が効率よくするものであればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】  本発明の複合材料からなるソフトアクチュエータは、構造はシンプルで、軽量、ノイズフリー運転、携行に便利な長所を有することから、以下に記するような種々の分野に適用できる。
１）各種ロボット関連用アクチュエータ、製造ラインの駆動デバイス、空中、水中作業用アクチュエータといった工業分野。
２）パワーアシスト装置、義足、義手用アクチュエータ、手術用、介護支援用機器と言った医療、福祉分野。
３）バーチャルリアリティ用フィットバック装置、体感アミューズメントゲーム機器、トレーニング機器といった情報、娯楽分野。
【符号の説明】
【００３１】１      カバーコード
２      連結部
３      作動部
４      作動素子
５      電気導線
６      固定物
７      バンド式マッサージャ用カフ
８      電子式血圧計用のカフ
９      血流の動きを検知するセンサー
１０    上腕骨に当たるパーツ
１１    前腕骨に当たるパーツ
１２    上腕二頭筋に当たるパーツ
１３    上腕三頭筋に当たるパーツ
１４    ジョイント
１５    カフを輪っかにするためのマジックテープ
１６    錘
２０    実施形態の一基本単位
２１，２２，２３    実施例２の基本単位２０の５個分を直列に連結した集合体
２４    実施例３の基本単位２０の５個分を直列に連結した集合体
３０    ロボットアーム
５０    電気回路
２０１  連結部２の上端
２０２  連結部２の下端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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