(57)【要約】      （修正有）【課題】駆動力、駆動速度、耐環境性、軽量、柔軟性および低駆動音などに優れたリニアアクチュエータを提供する。【解決手段】袋１の内部には、特定の光を吸収して熱膨張する素材２が封入されており、袋の外部に、配置されている光源４から放出された光を、導光線３を介して袋１に導入し、素材２に照射される。これにより袋１は膨張し、袋１の長手方向が縮退して、リニアアクチュエータの駆動力に変換される。光源４はレーザ光が代表的で、導光線は光ファイバが代表的である。素材２は、光を吸収するホストと熱膨張係数の大きなマトリックスの混合体およびＵ字状に加工されたバイメタルあるいは、触媒と溶媒の混合体などが有効である。また、導光路３は、リニアアクチュエータの駆動に要する各種センサの信号伝送路としても機能する。【選択図】図２
2017078506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が保持されている袋と、袋内部に充填された物質とからなり、充填された袋内部の物質の体積を拡大、縮小することにより、保持部間の距離が変化することで駆動力が得られることを特徴とした、リニアアクチュエータ。
【請求項２】
袋の内部に充填された素材を膨張、収縮せしめる方法として、導光線または導光体により容器内に導入された光が、容器内の物質に吸収されてなされることを特徴とした、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項３】
容器内に充填された素材として、主に容器内に導入された光エネルギーの吸収に寄与する素材と、主に膨張および収縮に寄与する素材とで構成されることを特徴とした請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
第１の素材と、第１の素材に密着するように配置されかつ、第１の素材よりも膨張係数の小さな第２の素材とからなる、２つ以上の腕部を有し、これらの腕部間を保持する機構を有するＵ字状または／およびらせん状接合体において、光の照射によりＵ字状または／およびらせん状接合体の温度を上昇／降下せしめ、保持部間距離の変化を直線運動に変換して駆動することを特徴とした、リニアアクチュエータ。
【請求項５】
容器内に充填された素材として、光化学反応を促進する触媒または／および媒体と、光化学反応により気化または液化反応を生じる溶媒とからなることを特徴とした、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項６】
光導光線または光導光体の端部あるいはその中間部に１つ以上の光センサ、一つ以上の磁気センサ、一つ以上の電界センサ、一つ以上の圧電センサ、一つ以上の焦電センサ、一つ以上のレーダ、一つ以上の音波センサ、一つ以上のジャイロセンサ、一つ以上の機械センサ、一つ以上の音波センサ、一つ以上の放射線センサ、一つ以上の化学反応センサ、一つ以上のイメージセンサのうち、一種類以上のセンサを備えた請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項７】
両端が１つ以上のリンクを介した構造物に固定され、かつ張力が負荷された状態で保持されている１つ以上の袋において、袋の端部または／および中間部に、物質が充填されていない、袋と連接した部位を有し、袋が保持されている１つ以上のリンクを有する構造物に設けられた１つ以上のガイドに沿って、袋と連接した部位が摺動する特徴を有した、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、屈曲性に富んだ容器内に充填された物質の体積を変化させることで、所望の駆動力を得る事が出来るリニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】自立動作支援用ロボットやロボットスーツなどの活用が進む中、これらを人間の動作に近い自然な動作で駆動するニーズが高まっている。
各種ロボットの駆動方法として、文献１に記載のモータの回転運動を基本動作として、カムと組み合わせることで、掴む、歩行する、物を動かすなどの所望の動作を実行する方法が考案されている。【０００３】一方、人間の動作により近い駆動を可能とする、人工筋肉やリニアアクチュエータの開発が進められている。人工筋肉は、古くは１９６０年代に考案された圧搾空気を用い、ナイロン繊維で出来た袋を膨らませて引張力を得るＭｃｋｉｂｂｅｎ型人工筋肉（ＲＡＭｓ）が最初とされ、実用化まで至った。その後圧電素子、静電素子、バイメタルなどの方式が研究、開発されて来た。最近では電場応答性高分子（ＥＡＰ）、イオン導電性高分子ゲル（ＩＣＰＡ）などの高分子を用いた方式の開発が進み、バッキーゲル型などの構造を有するリニアアクチュエータの開発が進められている。この他に、ナイロン糸を寄り合わせ、これを冷却、加熱する事で人間の筋肉の１００倍もの力を得られる事が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１７７１１
【特許文献２】特開２００５−５８３５１
【特許文献３】特許５６６６９４４
【特許文献４】特開２０１０−２７９６８９
【特許文献５】特開２００１−２３２６００
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】日本機械学会［Ｎｏ．００−２］ロボティクス・メカトロニクス講演会  ２Ｐ１−４７−０７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  リニアアクチュエータは、電磁駆動式モータと歯車を組み合わせた方式が広く用いられている。電磁駆動式モータを駆動原としたリニアアクチュエータは、信頼性、駆動力、低コスト、回転制御性など優れた特長を有している反面、課題も有している。
回転モータを用いた駆動方式では、信頼性、汎用性、低コスト、回転制御性など優れた特長を有している反面、回転以外の動作には歯車、カムなどの機械的な駆動変換器が必用で柔軟な動作が難しい課題があった。【０００７】一方、人工筋肉においては、文献２のリニアモータを用いた方法が提案されている。しかしながら、電磁界力を活用する方法でるため、マグネットとコイルの体積、重量が嵩むと同時に電気的ノイズを伴う。また、機械駆動部のダスト、砂塵、水没耐性、腐食性ガス、振動衝撃、放射線などの耐環境性にも制限を有する課題があった。【０００８】これに対して、文献３の蛇腹状筒状体に圧縮空気を送り込んで伸縮させる方法や、文献４の圧縮空気を使ったＰＡＭｓを改良した方法などが開示されている。これらの方式は、人間の動作に近い柔軟性に優れた動作が可能で、人工筋肉単体における重量も小さいメリットはあるものの、圧縮空気を発生させるためのコンプレッサが必要となること、圧縮空気の制御のために、電磁弁が必要なこと等で、装置全体としてのサイズ、重量が嵩む、騒音が発生するなどの問題を抱えている。【０００９】一方、駆動源としてレーザ光を用い、レーザ照射された物質の相転移を利用して屈曲動作する方法が文献５に開示されている。この方式を用いれば、駆動音の極小化と装置全体の軽量、小型化が可能となる。しかしながら、相転移の屈曲動作ではリニアアクチュエータとしての充分な駆動力と駆動量が得られないとともに、外光の影響で屈曲動作が生じてしまうほか、機械的靭性が低いなどの問題を抱えている。【００１０】これに対して、光ファイアを囲むように配置された形状記憶合金製パイプに、光ファイバから漏光したレーザ光を照射することで機械的靭性を確保しながら屈曲動作する方法が非特許文献１に開示されている。この方法においてもリニアアクチュエータとしての充分な駆動力と駆動量の両立が得られないとともに、形状記憶合金の材質に依存した駆動温度範囲の制限などの課題を有している。【００１１】本発明はこれらの課題を解決し、特に柔軟で高い駆動力を確保しながら、軽量かつ低騒音で、さらに耐環境性に優れたリニア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】
【００１２】上記課題を解決するため、本発明にかかるリニアアクチュエータは、袋の内部に、外部要素で体積が変化する素材を封入し、袋の外部から前記素材の体積を変化させるために供する、光エネルギー源を供給することからなることを特徴とする。ここで、本明細書で言う「リニアアクチュエータ」とは、生体の筋肉のように柔軟性に富み、伸縮量を制御することで駆動力を得る構造のものを含むものとする。また、「袋」とは、伸縮性には乏しいながらも、その体積を変化しうる、形状自由度に富んだ容器を含むものとする。【００１３】この構成によると、ＰＡＭｓや蒸気機関のように、外部から駆動に必要な気体の供給と排出に関わる機構を必要とせず、あるいは内燃機関のように、燃料などの材料を噴霧供給後点火する機構を必要とせずに、自己完結的に反復繰り返し動作が可能なリニアアクチュエータを得ることができる。【００１４】さらに本発明によるリニアアクチュエータの駆動力は、主に前記袋の強度と袋内部の体積変化に供する前記素材のヤング率および／あるいはその体積に依存するとともに、本発明によるリニアアクチュエータの駆動速度は、主に前記素材の膨張／収縮速度および／あるいは単位時間あたりの光エネルギー供給量に依存するため、適切な材料と構造を選択することにより、高い駆動力と駆動速度の両立が可能となる。【００１５】前記袋内部に封入された素材の体積変化に供するための光エネルギー源として、光導光路または導光線を経由して供給されるレーザ光が代表的である。前記袋内部に封入される前記素材として、樹脂、金属加工物、液体、液体と気体の混合物が代表的である。
また、導入された光エネルギー源による前記袋内部の前記素材の体積膨張を促進するために触媒を用いることもできる。また、前記袋の体積縮小を促進する目的で、冷却管、媒体などを前記袋の内部に配置、および／あるいは、前記袋の外部に配置することも可能である。【００１６】以上の手段を用いることで、前記袋の端部が保持され、応力が負荷された状態において、前記袋の体積膨張による本発明によるリニアアクチュエータの応力を伴う引っ張り方向への駆動と、前記袋の体積縮小による本発明によるリニアアクチュエータの伸展方向への駆動が可逆的になされる。前記袋は、カーボンファイバからなる組紐レース、金属箔、樹脂箔およびそれらの張り合わせが代表的である。【００１７】さらに、前記袋の端部または／および中間部に、前記袋と連接した腱を有しており、前記袋を保持している１つ以上の関節を有する構造物に設けられたガイドに沿って、腱が摺動する。本明細書でいう「腱」とは、前記袋と連続した構造体からなる、紐状の部位をさし、前記袋と同一材料あることが好ましいが、前記袋とは異なる材質を接合した構成を用いることも可能である。【００１８】本案の構成には、前記袋内部の前記素材に対して良好な光吸収特性が得られる特定領域の波長を放出する光源と、放出された光を前記袋内部に導入する導光手段が含まれる。さらに、前記袋内部の前記素材を袋の外部から冷却する手段が含まれる。前記導光手段は、光ファイバが代表的である。光ファイバには、本発明によるリニアアクチュエータの動作制御に用いる各種センサ信号や本発明によるリニアアクチュエータ以外の各種光信号およびエネルギー光を多重することができる。前記多重方法として、波長分割多重、偏光分割多重、時分割多重、符号分割多重などが代表的である。【００１９】また、前記袋内部に充填されている前記素材を形状自由度の高い柔軟な材料とし、前記袋を複数個連結する手段を用いる事で、本発明によるリニアアクチュエータの柔軟性を確保でき、かつ前記袋の個別の体積膨張を抑えつつ、全体として充分な駆動量を得られるので、生体を構成する筋肉と同等の配置が可能となる。【００２０】本発明のひとつの駆動手段として、前記エネルギー光の吸収体としてのホスト材料と熱膨張体としてのマトリックスとからなる手段とが含まれる。前記ホスト材料は前記マトリックス材料中に分散している。前記エネルギー光が前記ホスト材料に吸収され、その温度が急速に上昇する。この時に発生する熱量が前記マトリックス材料に伝導して前記マトリックス材料が効果的に加熱されて体積膨張を引き起こし、本発明によるリニアアクチュエータの駆動力に変換される。【００２１】また、この手段を用いることで、前記光エネルギーの吸収率の高い前記ホスト材料と、熱膨張率の高い前記マトリックス材料とを分離して配置可能となり、材料の選択自由度が向上するとともに、駆動効率を高める事が出来る。前記マトリックス材料中に分散している前記ホスト材料は、前記エネルギー光の強度分布状態に応じてその分散密度を選択的に配置することが好ましい。【００２２】本発明のひとつの駆動手段として、前記袋の内部に溶媒とともに、この溶媒の光化学反応を促進する触媒とを封入する手段が含まれる。前記袋内部に導入された前記エネルギー光は前記触媒を介して前記溶媒の化学反応を生じせしめ、分解、気化反応を引き起こし、前記袋内部の体積を拡大せしめ、本発明によるリニアアクチュエータの駆動力に変換される。上記の手段で分解、気化した前記気体は、前記袋の気体と液体を分離可能なメッシュを用いることで、生成した前記気体のみを前記袋の外部に排出できる。【００２３】本発明のひとつの駆動手段として、前記触媒とは異なる素材からなる第２の触媒または／および媒体を袋の内部に配置する手段および／または、前記光化学反応に用いた波長とは異なる波長を前記袋の内部に導入する手段が含まれる。これにより上記手段で前記溶媒から分解、生成した前記気体を凝縮または／および液化することができる。この手段を用いることで、体積膨張した前記袋の体積を縮小することが可能となり、前記袋の膨張と収縮が可逆的になされる。【００２４】本発明のひとつの駆動手段として、前記袋内に導入されたエネルギー光を吸収して温度上昇することにより膨張する第１の素材と、第１の素材に密着して一体化した、第１の素材よりも膨張係数の小さな第２の素材からなる、一つ以上の屈曲対を前記袋の内部に挿入する手段が含まれる。この手段を用いることで、エネルギー光により加熱された前記屈曲対が変形し、前記袋の体積を拡大させることで、本発明によるリニアアクチュエータの駆動力に変換される。【００２５】本発明のひとつの駆動手段として、前記光導光線または光導光体に複数の光分岐手段が含まれており、分岐後のそれぞれの前記光導光線または光導光体と本発明によるリニアアクチュエータが光学的に接続されている。さらに光源光は複数の波長を出力する手段を有しており、それぞれの波長光に対応するように配置された本発明によるリニアアクチュエータを独立あるいは同時に駆動することが可能となる。【００２６】本発明のひとつの駆動制御手段として、センサからの信号を駆動制御プロセッサに伝達するために、センサ信号を光信号に変換する手段および、前記光導光線または光導光体を用いる手段とを含む。センサの駆動エネルギーについては、前記光導光線または光導光体を通じて光エネルギーとして送信する手段および、センサ近傍で電気信号に変換する手段とを含む。これにより、ひとつの前記光導光線または光導光体で、複数の本発明によるリニアアクチュエータ駆動エネルギー、複数のセンサの駆動エネルギーおよび情報信号を多重して伝送可能となる。前記多重方法として、波長多重、偏光多重、時分割多重などの手段が用いられる。【００２７】本発明のひとつの駆動制御手段として、センサに光センサを用い、光センサへの光源供給およびセンサ光信号情報を前記光導光線または光導光体を用いる手段とを含む。複数の光センサを扱う場合は、波長多重、偏光多重、時分割多重などの各種多重手段を用いることで、複数の光センサを独立に扱うことが可能となる。【００２８】本発明のひとつの駆動手段として、前記光導光線または光導光体に複数の光分岐手段および、分岐後のそれぞれの前記光導光線または光導光体と前記リニアアクチュエータおよび光電変換器とを接続する手段とを含む。【００２９】これにより、ひとつの前記光導光線または光導光体により、複数の本発明によるリニアアクチュエータと複数の電動アクチュエータを同時並行して活用する事が出来る。それぞれの本発明によるリニアアクチュエータの駆動制御は、前記波長多重、偏光多重、時分割多重などの手段により、それぞれ独立して扱うことが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】  本発明によれば、屈曲柔軟性に富んだリニアアクチュエータを構成する袋に収納された素材を、袋の外部からエネルギーを供給することで膨張、収縮させて駆動することにより、高精度で大きな駆動力を得ることができる、配置自由度高い、小型、軽量かつ低騒音で耐環境性に優れたリニアアクチュエータを提供することが可能となる。【００３１】さらに外部からのエネルギー供給路として、光導光線や導光体を用いることで、リニアアクチュエータの駆動エネルギーとリニアアクチュエータの制御に関わる光信号とを多重送受信でき、複数のリニアアクチュエータと複数のセンサをひとつ導光線、導光体で一括制御が可能となる。このことは、本発明によるリニアアクチュエータを用いた人型ロボットシステムの小型軽量化に寄与するとともに、駆動エネルギー源と制御システムを人型ロボットから分離して配置することを可能とし、極限環境における人型ロボットの作業を容易ならしめる効果も有している。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明によるリニアアクチュエータの動作原理を説明する図である。
【図２】光を利用した本発明によるリニアアクチュエータの動作原理を説明する図である。
【図３】光を利用した本発明によるリニアアクチュエータの構成例を説明する図である。
【図４】溶媒の気化膨張を利用した本発明によるリニアアクチュエータの動作原理を説明する図である。
【図５】膨張係数差を利用した本発明によるリニアアクチュエータの構成例を説明する図である。
【図６】膨張係数差を利用した本発明によるリニアアクチュエータの動作原理を説明する図である。
【図７】コイル状に巻かれた形状を有する膨張係数差を利用した本発明によるリニアアクチュエータの動作原理を説明する図である。
【図８】複数の袋を有する本発明によるリニアアクチュエータの動作原理を説明する図である。
【図９】袋の膨張率と本発明によるリニアアクチュエータ駆動量の計算方法を説明する図である。
【図１０】袋の膨張率と本発明によるリニアアクチュエータ駆動量計算結果例を示す図である。
【図１１】本発明によるリニアアクチュエータの制御構成例を示すブロック図である。
【図１２】本発明によるリニアアクチュエータを関節の傾斜駆動に用いた例を説明する図である。
【図１３】本発明によるリニアアクチュエータを関節の回転駆動に応用した例を説明する図である。
【図１４】関節の傾斜駆動に用いた場合の本発明によるリニアアクチュエータ駆動量と傾斜角計算方法を説明する図である。
【図１５】本発明によるリニアアクチュエータ駆動量と関節傾斜角の関係を計算した結果を示す図である。
【図１６】複数の袋を連結した構成の本発明による本発明によるリニアアクチュエータを用いて関節を駆動する例を説明する図である。
【図１７】本発明によるリニアアクチュエータを用いて複数の関節を駆動する例を説明する図である。
【図１８】本発明によるリニアアクチュエータを人型ロボットの腕に相当する駆動モジュールとして用いた例を説明する図である。
【図１９】本発明によるリニアアクチュエータを用いた人型ロボットの腕に相当するモジュールに応用した場合の、導光線および各種センサの配置例を説明する図である。
【図２０】本発明によるリニアアクチュエータを用いた人型ロボットの腕に相当するモジュールにおいて、モジュールを袋で囲み、袋の中に液体を充填することで本発明によるリニアアクチュエータを冷却する構成例を説明する図である。
【図２１】本発明によるリニアアクチュエータを人型ロボットの足に相当する駆動モジュールとして用いた例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】以下に本発明に係る実施形態について説明する。
この記載は、本発明を具体的な事例を用いて発明の詳細に記載されている内容を確認するものであり、発明の詳細に記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここに記載されていない実施の形態があったとしても、その実施形態が、その構成要件に対応しないことを意味するものでは無い。また、記載されている実施形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないことを意味するものでもない。
【００３４】図１は本発明によるリニアアクチュエータの一側面の駆動原理を示している。
伸縮性に乏しいながらも屈曲性に富んだ材料からなる袋１の内部に素材２が封入されている。袋１が許容できる体積一杯まで素材２で満たされている場合は球体となる。これに対して、容器の充填率が球体形成時のそれよりも小さくなると、容器は変形して楕円体となる。たとえば充填率が図１（ａ）に示すように５０％よりも小さな状態で、容器の両端に一定の引張り応力Ｆを加えると容器は変形し、容器内部の充填量に応じて、全長がＬ１の楕円状に変形する。この状態から容器内部の素材２が体積膨張すると、体積膨張率に応じて楕円体の断面積が増大する。
【００３５】伸縮性に乏しいが形状柔軟性に富んだ容器１の表面積は一定であるため、断面積の拡大に伴い、図１（ｂ）に示したように、体膨張率に応じてその全長がＬ１からＬ２に縮退する。この容器１の縮退が、リニアアクチュエータの駆動力となる。
【００３６】図２は、本発明によるリニアアクチュエータの駆動エネルギー源として、光源４を用い、導光線３を通じて袋１の内部にエネルギー光を導入して素材２を熱膨張させることでリニアアクチュエータを駆動する原理を示している。導光線３の例として、光ファイバが好ましい。光ファイバの材料として、ガラスとプラスチックが代表的であるが、中空管を用いることもできる。
【００３７】光源４から放出された光は、導光線３を用いて袋１に導かれ、素材２に照射される。（図２（ａ））。光源４は、レーザ光を放出するチップが収納された密閉容器と、レンズを介して光学的に結合された導光線３とで構成されたモジュールが代表的である。レーザ光を放出するチップは、複数個並列に並べて出力を増大させること、あるいは、波長の異なるレーザ光放出チップを複数個用いることもできる。このほか、ＬＥＤ光源やキセノン光源など他の光源を用いることも可能である。
【００３８】導光線３は、袋１を貫通して袋１の内部に収納されている素材２に導かれている。導光線３の端部から放出された光源光は、レンズなどを介して効率的に素材２に照射される。素材２は導入された光を効率よく吸収する組成を有しており、照射光の強度に応じて素材２の温度が上昇し、体膨張を引き起こす（図２（ｂ））。これにより袋１の断面積が拡大することで袋１の長手方向の全長が縮退し、リニアアクチュエータが駆動する。
【００３９】図３は、本発明による素材２の光エネルギーによる体積膨張を用いてリニアアクチュエータを駆動する方式における、袋１内部の一側面の構成について示している。袋１の内部は空洞で、両端部は袋１の素材で閉塞されており、その延長部分がリニアアクチュエータを固定するブッシュ８を備える特徴を有している。袋１は伸縮性に乏しいが引っ張り強度が強く、軽く、熱伝導性に優れるカーボン系繊維を編み込んだ構成が好ましい。
【００４０】図３（ａ）で示したように、素材２は、熱膨張率が高く、袋１の柔軟性を確保可能な組成と構成が適しており、袋１の外部に漏れ出さないように封入されている。素材２として、ポリエチレンテレフタレートの繊維状海綿体、コロイド状を呈するポリエチレンテレフタレート小球と溶媒の混合体、および安定化ゲル等が好ましい。
【００４１】素材２には、袋１の内部に導入、照射された光に対して、高い吸収特性を有する光吸収体５が分散されている。導光線３は、袋１の内部を貫通するように、コイル状に巻かれた状態で挿入されている。導光線３をコイル状に巻くことにより、その巻き径、導光路の径、光源４の波長などに応じてコイル状部位から、光が漏れ出して周囲に拡散する。この拡散した光源光を光吸収体５で吸収し、光から熱に変換される。
【００４２】光吸収体５として、鎖状配位子からなる、エチレンジアミン、ビピリジン、エチレンジアミン錯体、フェナントロリンの金属キレート複合体、および環状配位子からなる、ポリフィリン、クラウンエーテルの金属キレート複合体が好ましい。金属キレート複合体としてたとえばベンゾピロメテンを用いた場合は、波長５４０ｎｍから６２０ｎｍの発光波長帯域を有するレーザ光が適している。
【００４３】図３（ａ）は、コイル状に巻かれた導光線３の中心部を通過するように冷却管６が配置されている状態を示している。冷却管６内の冷却媒は、リニアアクチュエータの伸縮駆動を利用して冷却管内を循環する。冷却管６の途中に熱交換器を配置することで、冷却効果が高まる。冷却管６を構成する素材として、形状記憶合金を用いることで、冷却としての熱伝導性を確保でき、かつ袋１の伸縮動作に連動した、冷却管６の全長の制御が可能となり、好ましい。
【００４４】以上の構成により、導光線３に導入された光はコイル状に巻かれた部分で導光損失が発生し、袋１の内部に漏洩する。漏洩した光は、光吸収体５に効率よく吸収されて熱に変換される。光吸収体５で発生した熱は熱膨張性に優れた素材２に伝導し体膨張する。これにより袋１の断面積が拡大し、袋１の全長が縮退することでニアアクチュエータが縮退駆動する。
【００４５】図３（ｂ）は、冷却管６をコイル状に巻くことで袋１の内部をより効率よく冷却できると同時に、袋１の伸縮動作に対応した全長の変化に対応できる例を示している。袋１の端部は空洞が終端され、袋の材料が延長されて紐状に加工されている。この紐状部に挿入されるように、導光線３と冷却管６が配置されている。さらに紐状部の終端部は、リニアアクチュエータを構造体に機械的に係止するためのブッシュ８が取り付けられている。
【００４６】図３（ｃ）は、導光線３から導出された光を照光モジュール７により袋１の特定部位に照射する構成を例示している。
照光モジュール７は、回折格子やマイクロレンズアレーなどをもちいることで、任意の光ビーム形状に成形され、容器内に照射される。これにより光源光の照射範囲を任意の範囲に集約する事が可能となり、光源光の利用効率が高まる。
【００４７】照光モジュール７からの発散光が発光点を起点としたガウシアン分布の形態を取る場合、照射光の強度に反比例するように、光吸収体５の分布密度を設定することで、素材２に対して均一な加熱がなされ、好ましい。光源４からの光供給が停止すると、容器１の膨張は停止し、容器内に導入された冷却管６により素材２が冷却されて、リニアアクチュエータの縮退は停止し、伸展する方向に駆動する。なお、導光線３と冷却管６を、容器の一端から容器外に導出し、次の容器に再び導入することで、光エネルギーを有効に活用する事も出来る。
【００４８】図４は本発明によるリニアアクチュエータの他の一側面の構成例を示している。気密性を有する袋１の内部に溶媒１０を封入し、袋１の内部に挿入された導光線３と光学的に結合された照光モジュール７から触媒９に向けて集光、放射することで、触媒９の周囲に光化学反応領域１１が形成される。
【００４９】光化学反応領域１１では、溶媒１０の分解、気化反応が生じ、袋１の体積が急速に拡大して、リニアアクチュエータの駆動力に変換される特徴を有している。気化した溶媒１０は、図示はされていないが、袋１の内部に設けられた冷却管により冷却されることで、凝集反応を生じて再び溶媒に戻ることで、リニアアクチュエータの縮退は停止し、外力Ｆにより袋１は伸展する方向に駆動する。
【００５０】なお、分解した気体は、袋１を構成するメッシュの微細な隙間から、袋１の外部に排出する事も可能である。メッシュの隙間を最適化することで、溶媒１０を袋１に封入した状態で、気体のみを排出することが可能となる。また、袋１から排出された気体を排気集合容器に蓄えて冷却し、溶媒１０の状態に戻した後に再度袋１の内部に供給して再利用することも可能である。
【００５１】溶媒１０として、エチレングリコールおよび高級アルコールの希釈液が適している。触媒９として、溶媒１０にアルコール系の希釈液を用いた場合においては、ニッケル−アルミナの多孔質体が適している。このほか、線状に加工された貴金属のスポンジ体を触媒９とすることで、袋１の柔軟性が維持され、適している。
【００５２】図５は、本発明によるリニアアクチュエータの他の一側面の構成例を示している。光源４から導光線３と照光モジュール７を介して放出されたエネルギー光を吸収することで、温度上昇、膨張する接合体１４（ａ）と、接合体１４（ａ）に密着するように配置されかつ、接合体１４（ａ）よりも膨張係数の小さな接合体１４（ｂ）とからなる、複数の腕を有するＵ字状加工体を、袋１の体積拡大のための素材２として用いる特徴を有している。
【００５３】図５（ａ）は、４本の腕を持つＵ字状加工体を、ワイヤ１３により袋１の両端に設けられたブッシュ８間を繋ぐように固定された構成を有する駆動原理の一側面を示している。ワイヤ１３は、４本それぞれの腕に係止され、Ｕ字状加工体の根元の部分と、腕の長さとほぼ等距離の長さのワイヤ１３の延長部で４本のワイヤ１３が１本のワイヤに纏められている。
【００５４】照光モジュール７から放射されたエネルギー光は、接合体１４（ａ）で吸収され、接合体１４（ａ）を加熱膨張させる。一方、接合体１４（ｂ）は、接合体１４（ａ）で遮光されており、温度が上昇しにくい構成であることと、接合体１４（ａ）よりも膨張係数が小さいことと相まって、図５（ｂ）に例示したように、Ｕ字状に加工された接合体１４を開く方向に変形する。
【００５５】かかる接合体１４の変形により、４本の腕の先端部で囲まれた領域の面積が拡大する。接合体１４として、バイメタルが代表的であるが、組成の異なる非鉄からなる接合体であってもよい。なお、Ｕ字状加工体の腕の数を増加させることにより、リニアアクチュエータとしての駆動力のと、Ｕ字状加工体の剛性を増加することができる。また、腕の数を２本とすることで、断面アスペクト比の大きい、薄いリニアアクチュエータとして用いることもできる。
【００５６】また、各Ｕ字状加工体間の接合箇所は、屈曲と回転方向に可動自由度を有しているため、立体的な局面を有する構造体に倣ったリニアアクチュエータの伸縮駆動を可能にしている。上記の薄いリニアアクチュエータの応用例として、たとえば、人型ロボットの顔面筋における、オトガイ筋、口輪筋、口角下制筋、下唇下制筋、眼輪筋、前頭筋等に相当する部位への適応が例示できる。
【００５７】図６は、上述したＵ字状に加工された接合体１４を７個連結して、袋１の内部に封入した構成を例示している。接合体１４の連結部は、ワイヤ１３で連結されており、それぞれの接合体１４間で、屈曲方向および回転方向ともに駆動自由度を有しており、袋１の柔軟性が確保されている。
【００５８】照光モジュール７は、各接合体１４に対向するように配置されており、図６（ａ）に示すように、導光線３から合分波・分岐器１５を用いて、各照光モジュール７にエネルギー光が分配される構成を有している。接合体１４にエネルギー光が照射され、Ｕ字状に加工された接合体１４が開く方向に変形すると、袋１の断面積が拡大し、ブッシュ８間の距離が縮退して駆動力に変換される。
【００５９】なお、各接合体１４に対向するように配置された照光モジュール７と導光線３との配線おいて、合分波・分岐器１５を用いることなく、光源４と直接接続することで、Ｕ字状に加工された各接合体１４をそれぞれ独立して駆動することが可能となる。これにより、たとえば配管内部を袋１の蠕動（ぜんどう）運動により移動するような複雑な動きにも対応できる。
【００６０】図７は、らせん状に加工された接合体１４の内側に、導光線３を配置し、導光線３から漏出したエネルギー光により接合体１４を加熱することで、らせん状接合体１４の巻き径を拡大させ、袋１の断面積が拡大することでリニアアクチュエータの駆動に変換する構成を例示している。熱膨張係数のより大きな接合体１４（ａ）をらせんの内側に配置し、導光線３を接合体１４（ａ）に沿って当接するように配置されている（図７（ａ））。らせん状接合体１４は袋１に封入されており、両端にブッシュ８が取り付けられている。
【００６１】導光線３にエネルギー光が導かれると、導光線３からエネルギー光が漏出して接合体１４（ａ）が吸収、加熱される。接合体１４（ａ）は接合体１４（ｂ）よりも熱膨張量が大きいため、らせん径が拡大する方向に変形する。らせん状接合体１４の径拡大に伴い袋１の断面積が拡大し、ブッシュ８間の距離を短縮する方向に駆動力が働く。なお、導光線３からのエネルギー光漏出量が充分に得られない場合は、エネルギー光が導波する方向に徐々に導光線３の導光路径を縮小した、テーパー状の導光線３とすることが好ましい。
また、導光線３をらせん状接合体１４の異なる部位に、光源４とセットとして独立して配置することで、せん状接合体１４の任意の箇所のらせん径を選択的に拡大することができる。
【００６２】図８は、袋１を直列に５個並べた構成を有するエネルギー光を駆動源としたリニアアクチュエータの構成を例示している。それぞれの袋に対応する５本に束ねられた導光線３を経由して各素材２に照射出来る構造を用いており、独立したエネルギー供給形路を有する各袋１は、対応する光源４の駆動条件に応じて、その膨張量が制御され、任意の駆動力と駆動速度が得られる。
【００６３】たとえばＮｏ２とＮｏ４の容器のみを膨張させた場合（図８（ｂ））、リニアアクチュエータの全長はＬ１からＬ２になる。また、Ｎｏ１から５までの容器をすべて膨張させた場合（図８（ｃ））、リニアアクチュエータの全長は、最少長Ｌ３まで縮退する。また、各素材２に吸収される波長をそれぞれ異なるように配置し、一つの導光線３にそれぞれ対応する５つの波長を多重することで、各袋１を独立制御する事も可能である。
【００６４】以上により、より高精度の駆動制御が可能となるとともに、リニアアクチュエータの単位駆動量に対する袋１の最大断面積を小さく設定することが可能となる。また直列に複数配置された容器を有するリニアアクチュエータを並列に束ねることで、より大きな駆動力が得られる。
【００６５】図９はリニアアクチュエータを構成する容器の体膨張率と、駆動量の関係について計算する時に用いた数式の諸元を説明する図である。図９（ａ）に示した通り、容器の皮膜が非弾性体である時、容器内部が容器の限界体積まで膨張した場合は球体となる。この時の半径をＲｅとすると、球体の体積Ｖｅおよび表面積Ｓｅは数式１で表される。
【００６６】
【数１】
2017078506.tif 000003
【００６７】ここで、図９（ｂ）に示すように、球体の両端面に引っ張り応力Ｆを加えた状態で容器内部の体積が縮小すると、体積の縮小量に応じて球体は応力Ｆの負荷方向を長軸とした楕円体となる。この時の長軸半径をＲ１、短軸半径をＲ２とすると、その体積は数式２で表される。但し、引っ張り応力Ｆによる弾性収縮は無いと仮定する。
【数２】
2017078506.tif 000004
【００６８】この場合、楕円体の表面積は球体と同一であるＳｅとなる。容器の体積率をαとして、楕円体の表面積ＳｅとＲ１，Ｒ２との関係は数式３で表される。なお、球体の場合はα＝１とする。
【数３】
2017078506.tif 000005
【００６９】一方、楕円体の表面積は乗数ｐを用いて数式４で近似できる。
【数４】
2017078506.tif 000006
乗数ｐはｐ＝１．６０７５とした場合、誤差率を１．０６１％に抑えられることが知られている。
そこで、体積減少に伴う楕円体の長軸変動の理論計算では、数式４を用いた。
ここで、Ｒ１＞Ｒｅ＞Ｒ２，Ｖｍ＜Ｖｅ，とする。
【００７０】一方Ｒ２は、容器の体積、表皮の機械特性、重力などの影響を受けるため、厳密には楕円体とはなり得ない。しかし、計算を簡素化するために、Ｒ２＝Ｒ１ｎの関係がなり立つと仮定して計算した。Ｒ１とｎを任意の数値に設定した時の楕円体の面積および楕円体の体積（Ｖｍ）の計算結果が球体の各初期値と限りなく一致する数値を、数式５により求めた。
【数５】
2017078506.tif 000007
【００７１】α＝０．１の場合のようにリニアアクチュエータを形成する容器の体積が小さい場合、楕円体短軸のα，Ｒ１の関係を採用すると、球体初期値に対する面積、体積の誤差が収束しなかった。
このため、Ｒ１と関連しない個別の最適数値として求めている。αが０．２以上の場合は、誤差の収束は良好で、α，Ｒ１とｎの間に一定の相関関係が得られる。
【００７２】図１０にＲｅ＝１０ｍｍとした時のαとＲ１の関係を示す。容器の初期体積を球体Ｓｅの２５％とし、初期体積から２０％体積膨張したと仮定した場合のリニアアクチュエータの全長は、αとＲ１が累乗近似出来ると仮定すると、体積膨張率とほぼ同一の約１９．７％縮むと見込まれる。
【００７３】リニアアクチュエータの駆動力は容器内部の材料の熱膨張応力が起源となる。なお、容器内の材料のヤング率をＥａ、体積膨張率Ａ，温度変化量ΔＴ、容器の体積をＶｈｅとすると光アクチュエータ駆動力Σｈｅは数式６で表される。κは容器内材料の熱膨張応力変換効率を示している
【数６】
2017078506.tif 000008
【００７４】図１１は、リニアアクチュエータに供給される光源４の接続経路およびリニアアクチュエータの駆動を制御するために用いる各種センサ２２および光センサ１７の信号回路系とこれらを統合制御するための制御プロセッサ２０との接続例を説明するブロック図を例示している。
【００７５】本発明におけるリニアアクチュエータへのエネルギー光の供給はもとより、制御に用いられる光センサ１７や各種センサ２２と制御プロセッサ２０間との通信は、いずれも導光線３に光信号として多重される。光多重方法として、波長多重、偏波多重、偏向多重や、時分割多重、光符号分割多重などの光通信技術が代表的である。
【００７６】なお、センサ２２のように光センサ以外の場合の通信は、光電変換器２１により電気信号から光信号に変換されたのち、導光線３に多重されてなされる。これらにより、本発明におけるリニアアクチュエータ駆動用のエネルギー光と複数の光センサ１７および複数のセンサ２２と接続された光電変換器２１からもたらされる光信号を、ひとつの導光線３に多重して、制御プロセッサ２０と接続、制御することが可能となる。
【００７７】一方、制御プロセッサ２０と接続された本発明におけるリニアアクチュエータ駆動用光源４は、合分波フィルタ１６を介して導光線３に導入される。同様に、複数の光センサおよび複数のセンサ２２と接続された光電変換器２１からもたらされる光信号も、合分波フィルタ１６を介して、制御プロセッサ２０側の光信号送信光源４や受光モジュール１９に対応した信号光に分離され、本発明におけるリニアアクチュエータの制御に供される。
【００７８】センサ２２として、磁気センサ、電界センサ、圧電センサ、焦電センサ、レーダ、音波センサ、ジャイロセンサ、機械センサ、音波センサ、放射線センサ、化学反応センサ、イメージセンサが代表的である。光センサ１７として、光ファイバ型の音響センサ、圧力センサ、熱センサ、ジャイロセンサ、測距センサ、温度センサ、加速度センサ、速度センサ、角速度センサ、ガスセンサが代表的である。
【００７９】また、光源４と光センサ１７間で十分な光学的距離を設定できれば、リング干渉によるサニャック効果を活用した光ジャイロスコープ機能を用いて、本発明におけるリニアアクチュエータを３次元空間上で制御可能である。さらに、光パルス試験技術（ＯＴＤＲ）を活用することで、導光線３上のセンシング位置の特定が可能となる。
【００８０】図１２は、関節２４を介した１対の骨格２３に本発明におけるリニアアクチュエータを応用した例を示している。関節２４は、半球状の回転子で構成され、半球の中心を基軸に、１軸方向に傾倒する振り子構成となっており、骨格２３には応力Ｆが負荷されている。さらに、関節２４の回転中心に対して、リニアアクチュエータＲａとＲｂとが、関節２４を介して対向した２個が、骨格間を繋ぐように配置されている。
【００８１】上記構成により、Ｒｂを縮退駆動させ、Ｒａを伸展駆動させることにより、骨格２４は時計回りに傾倒駆動する（図１２（ａ））。一方、図１２（ｂ）に示した通り、骨格２３を反時計回りに回転させる場合は、Ｒａを縮退させＲｂを伸展させることでなされる。図１２（ｃ）は、本発明におけるリニアアクチュエータＲａとＲｂを任意のバランスで縮退駆動を継続することで、応力Ｆの方向が変動しても一定の傾倒角度を維持できる例を示している。
【００８２】図１３は、本発明におけるリニアアクチュエータを交差するように２個用いることで、骨格２３を回転と傾倒の２つの駆動を同時に行う事が可能な構成を例示している。
図１３（ａ）に例示したように、回転方向および傾倒方向に可動自由度有する間接２４を介して、骨格２３に対して、それぞれの取り付け位置が１８０度交差するようにリニアアクチュエータＲａとＲｂが配置されている。骨格２３は、応力Ｆとともに骨格２３を反時計方向に回転させる回転トルクＴｆが印可されている。
【００８３】ここで、Ｒａが縮退し、Ｒｂが一定の縮退駆動力を維持した場合、骨格２３は、間接２４に対して反時計方向への傾倒駆動と同時に時計方向への回転駆動力が生じる。
一方、Ｒｂが縮退し、Ｒａが一定の縮退駆動力を維持した場合、骨格２３は、間接２４に対して時計方向への傾倒駆動と同時に時計方向への回転駆動力が生じる。
【００８４】間接２４が球体で全方位に渡って動作する場合は、回転と傾倒を組み合わせた複数の本発明におけるリニアアクチュエータを組み合わせ、それぞれ縮退と伸展量を制御することで任意の方向に駆動制御が可能となる。
【００８５】以上記載した通り、リニアアクチュエータＲａとＲｂとを１８０度交差させて配置することにより、異なる方向への傾倒駆動と、一方向の回転駆動を同時に行うことが可能となる。
図１４は、間接２４を介して骨格２３に取り付けられた本発明におけるリニアアクチュエータＲａの縮退量と骨格２３の傾倒角度の関係について計算する時に用いた数式の諸元を説明する図である。なおリニアアクチュエータＲａには２つの袋１が連結されている構成を例示している。
【００８６】本発明におけるリニアアクチュエータが骨格に固定されている両端のポイントをそれぞれＢ，Ｃとし、骨格の回転中心をＡとする。リニアアクチュエータの固定点Ｂと骨格の回転中心位置が異なるため、その縮小量δに応じて骨格は角度θ相当の傾きが生じる。
Ａ‐Ｂ間の距離をＬ、ＡとＣ間の距離をＦ、ＢとＣ間の距離をＲ、ＢとＡおよびＣ間のはさみ角をθｋ、ＡとＢおよびＣ間の鋏角をθＦとした場合、数式７の関係が成り立つ。
【数７】
2017078506.tif 000009
数式７から、リニアアクチュエータの縮退量δと骨格回転角θは数式８の関係で示される。
【数８】
2017078506.tif 000010
【００８７】図１５は、前記関係式を用いて、人間の腕と近似したサイズを例として、本発明におけるリニアアクチュエータの縮退量と関節の屈曲角度の関係を試算した結果を示している。
Ｌ＝３０ｍｍ、Ｆ＝２５０、θＦ＝８５度とした場合、リニアアクチュエータの縮退率と屈曲角はほぼ正比例の関係となる。リニアアクチュエータの８％縮退により、関節部でおよそ４０度の屈曲角が得られる。
【００８８】図１６は、前記袋１が１０個連結され、骨格２３の周囲を囲むように、らせん状に配置されかつ、関節２４に近い骨格２３の一端に設けられたガイド２５に沿って前記腱２６が摺動する構成を有する、本発明におけるリニアアクチュエータの応用例を示している。
リニアアクチュエータの一端は、ガイド２５とは反対側の骨格２３の一端に、ブッシュ８により骨格２３に取り付けられている。
【００８９】上記構成により、全長の短い骨格に対してでも、リニアアクチュエータをらせん状に巻きつける事で、リニアアクチュエータの全長を稼ぐことが可能となり、関節２４を回転中心とした、骨格２３を、より大きな角度で傾倒駆動させることが可能となる。なお、図１６に破線で示した位置に、前記の巻き方向とは異なる方向にらせん状に巻かれた、もうひとつのリニアアクチュエータを配置することで、骨格２３の傾倒往復駆動が可能となる。
【００９０】図１７は、３つの関節２４と４個の骨格２３有するアームに、本発明におけるリニアアクチュエータを複数個配置した応用例を示している。複数のリニアアクチュエータのうち、少なくとも１個は２つの関節２４をまたいで骨格２３に取り付けられており、中央の関節２４近傍に位置する骨格２３の一端に設けられたガイド２５に沿って腱２６が摺動するように配置されている。
【００９１】上記構成を用いる事で、１個のリニアアクチュエータにより、２つの関節を同時に駆動することが可能となり、１つの関節２４をまたいで配置されているリニアアクチュエータと相まって、図１７（ａ）に示すアーム形態から図１７（ｂ）に示すアーム形態への移行で示したような、生体に近い動作が可能となる。
【００９２】アームをより人体に近い動作とするため、人体の各種筋肉の配置構成を模倣した部位に配置する事が効果的である。具体的には以下の筋肉が候補となる。
胸鎖乳突筋、三角筋、上腕三頭筋、前鋸筋、前腕屈筋群、長内転筋、大腿筋膜張筋、薄筋、内側広筋、前脛骨筋、腓腹筋、大腿直筋、外側広筋、縫工筋、大内転筋、恥骨筋、腸骨筋、外腹斜筋、腹直筋、上腕二頭筋、大胸筋、僧帽筋、棘下筋、広背筋、大臀筋、大腿二頭筋、ヒラメ筋、半腱様筋、脊柱起立筋、大円筋、小円筋、尺側手根屈筋、小指対立筋、小指外転筋、短小指屈筋、虫様筋、浅指屈筋、深指屈筋、長母指屈筋、掌側骨間筋、母指内転筋、短母指外転筋、短母指屈筋、母指対立筋、撓側手根屈筋、長指屈筋の一つまたは複数に対応した箇所。
【００９３】一方、複数のリニアアクチュエータ用導光線３は、骨格２３と、前記ブッシュ８の内部を貫通するように配置されている。この構成により、導光線３は、衝撃や各種のダメージに対して保護され、高い耐久性が得られる。
【００９４】上述したように、特に本発明におけるリニアアクチュエータを１つ以上の関節をまたぐように配置されたアーム状構造体に適応する場面において、アームの小型化を保ちながら、複数のリニアアクチュエータを配置でき、それぞれのリニアアクチュエータの独立制御を可能とし、リニアアクチュエータの駆動用光源を導光路径の小さく軽量である光ファイバの集合体を用いて供給できることから、駆動光源とアーム間の距離を大きく設定することができ、大出力を有する光源を用いる場合においても、アームの重量を起因として、アーム駆動時の慣性モーメントを最小にできる。
【００９５】図１８は、本発明におけるリニアアクチュエータを、人間の腕と手の動作を模した、人型ロボット用ハンドモジュールへ応用した例を示している。
本発明におけるリニアアクチュエータの特徴を生かすことで、小型のリニアアクチュエータ群を必要とする、人間の指を模した機構において必要となる、繊細で複雑な動作に対応できる。
【００９６】一方、人間が苦手としている回転動作が必用な部位においては、適宜電磁モータ２７を活用することができる。モータへの給電は、光ファイバで伝送されたエネルギー光を光‐電気変換することでなされる。変換された電気エネルギーは、蓄電池に充電して用いることで、エネルギー光の送信タイミングにかかわらず、安定した電磁モータ２５の駆動が可能となる。さらに充電された電気エネルギーを、電気ヒータ方式のリニアアクチュエータの駆動源やセンサの駆動源として活用することもできる。
【００９７】指先に相当する部位には、感圧、感熱、測距などのセンサ２２のほかに、レーザ加工用の高出力レーザ放出機能を設ける事もできる。また、近赤外レーザ光を生体に向けて照射し、生体から反射したイメージ光を、バンドルファイバを用いたアレー型導光路を通じてイメージセンサに導入し、生体認証や生体の検査が可能となる。
【００９８】なお、原子炉内や宇宙空間など、放射線濃度が高い環境下でリニアアクチュエータを駆動させる場合、従来の電気―磁気モータ方式では、放射線による高分子の破壊が生じることで潤滑材や電気配線系の劣化を引き起こし、リニアアクチュエータの駆動が出来なくなる課題がある。
【００９９】本発明におけるリニアアクチュエータの場合においても、容器内の熱膨張体の劣化とともに、光源光を導入する光ファイバ中の欠陥や不純物がカラーセンターとなり導光特性が劣化することがある。このことから、高放射線下でリニアアクチュエータを用いたロボットアームで作業を行う場合、導光線３として中空導光管を用いる方法が適している。
【０１００】図１９は、人間の腕と手の動作に近似した動作が可能な、人型ロボットのハンドモジュールに本発明におけるリニアアクチュエータを用いた例を示している。関節２４を介した２つの骨格２３は、筋２８で接合されており、関節部の離脱を防止すると同時に、関節２４の駆動方向に制限を加えることができる。
【０１０１】リニアアクチュエータの縮退量を効率的に関節２４の角度に変換する事が可能な骨格２３と本発明におけるリニアアクチュエータの配置構成、骨格２３の内部に配置されたジャイロおよび間接部に設置された光学式角度センサ１７および、リニアアクチュエータへの光エネルギー供給と各種センサから供給される光信号の伝送路となる導光路３と合分波器１５で構成されている。
【０１０２】関節２４の動作を滑らかにする潤滑剤３０を挟むように接合されている。潤滑剤３０は、一定の温度で固化する性質を有しており、関節駆動時の潤滑状態と間接固定時の固化状態とを、関節２４に配置された光導波路２９から放出されたエネルギー光のコントロールにより選択できる。潤滑３０が固化した状態では、関節２４が固定される。
【０１０３】導光線３、合分波器１５、光センサ１７、および光電変換器などの機器、配線は骨格２３の内部に収納されており、耐久性の確保と小型化がなされている。リニアアクチュエータは、セラミックスまたは金属からなるブッシュ８で終端され、骨格２３の内部に埋め込まれるように固定されている。導光線３は終端部を貫通してリニアアクチュエータ内に導入される。導光線３は、骨格２３の内部に設けられた合分波器１５により分岐され、各リニアアクチュエータに導入されると共に、光源の配分比率、強度が制御される。
【０１０４】光センサ１７の信号は、合分波器１５を介して導光線３に導入され、制御プロセッサに到達する。信号が電気信号の場合は、電位信号をセンサ近傍で光信号に変化して導光線３に導入される。光以外のセンサへの電気供給が必要な場合は、導光線３に多重されている、エネルギー光と信号光を合分波器１５で分離し、光電変換される。関節２４を通過するように配置された導光線３は、関節２４の近傍で骨格２３から導出され、関節２４を迂回するように配置されている。
【０１０５】図２０は、図１９に示したハンドモジュールの外側にハンドモジュールを覆うように配置された、弾力性を有する表皮３１を用いた例を示している。表皮３１の内部には、リニアアクチュエータを冷却するための溶媒１０が充填されている。表皮３１の内部に充填されている溶媒１０は、ハンドモジュールの駆動による攪拌と、表皮３１を介した外部への熱の発散により、本発明におけるリニアアクチュエータの冷却効果を高める事ができる。
なお、表皮３１は、ハンドモジュールが置かれる外的条件下に適した、組成、構造を最適化できることは、言うまでもない。
【０１０６】図２１は、本発明におけるリニアアクチュエータを、人間の足裏を中心とした足の動作を模した、人型ロボット用足モジュールに応用した例を示している。
人体において、重量を支えつつ、体のバランスをとりながら上半身の自由な動作を行い、かつ複雑な形状を有する路面での歩行、走行を可能とするために、６００を超える全身の筋肉の６０％以上を足の筋肉で占められている。
このため、本発明におけるリニアアクチュエータの活用は、人体における足と同等の機能の実現に適している。
【０１０７】図２１（ａ）は、人体における、下腿筋から足筋に相当する部位をまねた筋肉、筋、骨格構造において、骨格２３、関節２４、袋１、筋２６、ガイド２５、リニアアクチュエータ、センサ２２、光センサ１７、導光線３および合分波器１５の配置構成を例示している。なお、筋および表皮は簡略化のために省略されている。
【０１０８】図２１（ａ）中の、向かって右側に長指伸筋に相当する本発明によるリニアアクチュエータと、長指伸筋鍵に相当する腱２６が、足先の末節骨に相当する骨格２３でブッシュ８により取り付けられており、長指伸筋相当の腱２６は、踵骨、楔状骨および立方骨、第２から第５中足骨、第２から第５基節骨、第２から第５中節骨に相当する骨格２６の端部に設けられた、ガイド２５に沿って摺動する構成となっている。
【０１０９】同様に向かって右側に長母指伸筋に相当する本発明によるリニアアクチュエータと、長母指伸筋相当の腱２６が、足先の末節骨に相当する骨格２３でブッシュ８により取り付けられており、長母指伸筋相当の腱２６は、踵骨、中間楔状骨、内側楔状骨、第１中足骨、第１基節骨に相当する骨格２３の端部に設けられた、ガイド２５に沿って摺動する構成となっている。なおガイド２５は、人体における筋支帯に相当する機能を有している。
【０１１０】以上の構成により、人体の拗ねに相当する部位に設けられた袋１の伸縮駆動により、足のつま先を持ち上げる動作が可能となる。一方、図２１（ａ）中の、向かって右側には、下腿三頭筋、腓腹筋および、ヒラメ筋に相当する袋１が、拗ねに相当する部位の骨格２３に沿って設けられている。
【０１１１】これらの袋１は袋１と連続して設けられている腱２６により、足裏屈筋に相当する腱２６で第１から第５の末節骨に相当する骨格２３でブッシュ８により取り付けられている。なお、前記と同様に腱２６がブッシュ８に至るまでの中間部位で、各骨格の端部に設けられたガイド２５に沿って摺動する構成となっている。
【０１１２】特に下腿三頭筋の相当する袋１とこれと連続した腱２６は、人体におけるアキレス腱に相当するため、より大きな伸縮駆動力を得られる袋内部の構成と、強い靭性を有する袋１の材質を最適化するのが好ましい。
【０１１３】図２１（ｂ）は、図２１（ａ）で示した、人体における、下腿筋から足筋に相当する部位を足裏側から見た図を示している。足裏側には、下腿三頭筋、長指伸筋、長母指伸筋や前頸骨筋とは独立した筋肉が配置されており、それらに相当する部位にも、本発明におけるリニアアクチュエータを配置できる。
【０１１４】末節骨に相当する骨格２３には、おもに圧力を検出するための光センサ１７が、袋１を貫通する導光線３の延長部で接続されている。また、非光学式の圧力センサ２２が、踵骨にお相当する部位の骨格２２に設けられている。センサ２２の光電変換器は、脛骨に相当する部位の骨格２３の内部に収納されている。
【０１１５】図２１（ｂ）では、母指内転筋横頭が省略されているが、必要とする機能に応じて人体における筋肉配置構成の一部を省略することができる。また、人体における筋肉配置構成を補完するように追加することももちろん可能であり、人体には無い動作を盛り込むことも可能となる。
【符号の説明】
【０１１６】１      袋
２      素材
３      導光線
４      光源
５      光吸収体
６      冷却管
７      照光モジュール
８      ブッシュ
９      触媒
１０    溶媒
１１    光化学反応領域
１２    気体
１３    ワイヤ
１４    接合体
１５    合分波・分岐器
１６    合分波フィルタ
１７    光センサ
１８    光センサ信号光
１９    受光モジュール
２０    制御プロセッサ
２１    光電変換器
２２    センサ
２３    骨格
２４    関節
２５    ガイド
２６    腱
２７    電磁モータ
２８    筋
２９    光導波路
３０    潤滑剤
３１    表皮
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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