(57)【要約】【課題】求められる応答性に応じて駆動するアクチュエータを提供する。【解決手段】アクチュエータ１は、複数のアクチュエータユニットに含まれる任意の１であるアクチュエータユニットＵｉ（ｉは自然数）と、アクチュエータユニットＵｊ（ｊはｉと異なる自然数）とを有する。アクチュエータユニットＵｉ、Ｕｊは、板状部材１１と板状部材１２の間に設けられる。アクチュエータユニットＵｉには、１または複数のアクチュエータ繊維の１つであるアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐ（ｐは自然数）が含まれ、アクチュエータユニットＵｊには、１または複数のアクチュエータ繊維の１つであるアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑ（ｑはｉ,ｐと異なる自然数）が含まれる。アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐに含まれる高分子繊維体の繊維断面積Ｓｉ,ｐと、アクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑに含まれる高分子繊維体の繊維断面積Ｓｊ,ｑとが、Ｓｉ,ｐ＜Ｓｊ,ｑの関係にある。【選択図】図１
2017111772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部と、
相対変位部と、
前記ベース部と前記相対変位部の間の複数のアクチュエータユニットを含み、
前記複数のアクチュエータユニットの各々は、１または複数のアクチュエータ繊維を含み、
前記１または複数のアクチュエータ繊維の各々は、仮想的な軸に螺旋状に巻回され、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を含み、各々が含む前記高分子繊維体の温度が変化すると、伸縮し、
前記相対変位部は、前記複数のアクチュエータユニットの任意の１つであるアクチュエータユニットに含まれる１または複数のアクチュエータ繊維の温度が制御されて、前記ベース部に対して移動され、
前記複数のアクチュエータユニットに含まれる任意の１であるアクチュエータユニットＵｉ（ｉは自然数）に含まれる１または複数のアクチュエータ繊維の任意の１つであるアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐ（ｐは自然数）に含まれる高分子繊維体の繊維断面積Ｓｉ,ｐと、
前記複数のアクチュエータユニットに含まれる任意の１であるアクチュエータユニットＵｊ（ｊはｉと異なる自然数）に含まれる１または複数のアクチュエータ繊維の任意の１つであるアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑ（ｑはｉ,ｐと異なる自然数）に含まれる高分子繊維体の繊維断面積Ｓｊ,ｑとが、Ｓｉ,ｐ＜Ｓｊ,ｑの関係にあり、
前記アクチュエータユニットＵｉと前記アクチュエータユニットＵｊとが、互いに異なるアクチュエータユニットであり、 
前記繊維断面積Ｓｉ,ｐは前記アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐの前記高分子繊維体をその中心軸に対して垂直方向に切断した場合の面積であり、前記繊維断面積Ｓｊ,ｑは前記アクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑの前記高分子繊維体をその中心軸に対して垂直方向に切断した場合の面積である
アクチュエータ。
【請求項２】
前記アクチュエータユニットＵｉに含まれる前記１または複数のアクチュエータ繊維の各々の高分子繊維体の繊維断面積の総和と、前記アクチュエータユニットＵｊに含まれる前記１または複数のアクチュエータ繊維の各々の高分子繊維体の繊維断面積の総和とが等しい
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記アクチュエータユニットＵｉが複数のアクチュエータ繊維を含む場合、前記アクチュエータユニットＵｉに含まれる任意の２つのアクチュエータ繊維は、同じアクチュエータ繊維により構成されている
請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐと前記アクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑとが相似形状であり、かつ、長さが同じである
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】
前記アクチュエータユニットＵｉに含まれる前記１または複数のアクチュエータ繊維、および、前記アクチュエータユニットＵｊに含まれる前記１または複数のアクチュエータ繊維が、一列に並んで配置されている
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６】
前記アクチュエータユニットＵｉに含まれる前記１または複数のアクチュエータ繊維、および、前記アクチュエータユニットＵｊに含まれる前記１または複数のアクチュエータ繊維は、前記列の両端に位置する２つのアクチュエータ繊維の中間線を基準として線対称に配置されている
請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記アクチュエータユニットＵｉは前記アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐに隣り合うアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐ＋１を含み、
前記アクチュエータユニットＵｊに含まれる前記１または複数のアクチュエータ繊維に含まれるアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑは、前記アクチュエータユニットＵｉに含まれる前記１または複数のアクチュエータ繊維に含まれるアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐと隣り合い、
前記アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐと前記アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐ＋１との間の距離は、前記アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐと前記アクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑとの間の距離より小さい
請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
さらに、
前記相対変位部を移動させるための動作指令を取得し、前記動作指令を前記アクチュエータユニットＵｉへの動作指令または前記アクチュエータユニットＵｊへの動作指令に分類し、それぞれへの動作指令に基づいて前記アクチュエータユニットＵｉまたは前記アクチュエータユニットＵｊを伸縮させて前記相対変位部を移動させる制御部
を備える請求項１〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記制御部は、前記動作指令を、前記動作指令の周波数帯域に基づいて分類し、高周波帯域の前記動作指令を前記アクチュエータユニットＵｉへの動作指令とし、低周波帯域の前記動作指令を前記アクチュエータユニットＵｊへの動作指令とし、前記分類を行う
請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記制御部は、前記動作指令における比例動作を前記アクチュエータユニットＵｉへの動作指令とし、前記動作指令における積分動作を前記アクチュエータユニットＵｊへの動作指令とし、前記分類を行う
請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記制御部が、前記動作指令における微分動作を前記アクチュエータユニットＵｉへの動作指令とし、前記動作指令における比例動作を前記アクチュエータユニットＵｊへの動作指令とし、前記分類を行う
請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記アクチュエータユニットＵｊは複数のアクチュエータ繊維を含まない
請求項１〜８のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記複数のアクチュエータユニットが前記アクチュエータユニットＵｉ、前記アクチュエータユニットＵｊを含む３以上のアクチュエータユニットを含み、
前記制御部が、前記動作指令を周波数帯域に基づいて分類し、最も高周波帯域の前記動作指令を前記アクチュエータユニットＵｉへの動作指令とし、それ以外の周波数帯域の前記動作指令のうち、周波数帯域の高いものほど、前記アクチュエータユニットＵｉを除く前記複数のアクチュエータユニットのうち、小さな前記繊維断面積のアクチュエータ繊維を有するアクチュエータユニットへの動作指令とし、前記分類を行う
請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記複数のアクチュエータユニットが前記アクチュエータユニットＵｉ、前記アクチュエータユニットＵｊを含む３以上のアクチュエータユニットを含み、
前記制御部が、前記動作指令における微分動作を前記アクチュエータユニットＵｉへの動作指令とし、前記動作指令における比例動作を、前記アクチュエータユニットＵｉを除く前記複数のアクチュエータユニットのうち、前記アクチュエータユニットＵｉより前記繊維断面積が小さいアクチュエータ繊維を有するアクチュエータユニットＵｊへの動作指令とし、前記動作指令における積分動作を、前記アクチュエータユニットＵｉ、Ｕｊを除く前記複数のアクチュエータユニットのうち、前記アクチュエータユニットＵｊより前記繊維断面積が小さいアクチュエータ繊維を有するアクチュエータユニットへの動作指令とし、前記分類を行う
請求項８に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度変化に伴って伸縮するアクチュエータに関する。
【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１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】
アクチュエータを駆動するにあたり、高速で動かしたり低速で動かしたりする場合があるが、従来のアクチュエータでは、限られた範囲の速度でしか動かすことができず、使用者が求める必要な応答性を得られないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、求められる応答性に応じて駆動することのできるアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係るアクチュエータは、ベース部と、相対変位部と、前記ベース部と前記相対変位部の間の複数のアクチュエータユニットを含み、前記複数のアクチュエータユニットの各々は、１または複数のアクチュエータ繊維を含み、前記１または複数のアクチュエータ繊維の各々は、仮想的な軸に螺旋状に巻回され、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を含み、各々が含む前記高分子繊維体の温度が変化すると、伸縮し、前記相対変位部は、前記複数のアクチュエータユニットの任意の１つであるアクチュエータユニットに含まれる１または複数のアクチュエータ繊維の温度が制御されて、前記ベース部に対して移動され、前記複数のアクチュエータユニットに含まれる任意の１であるアクチュエータユニットＵｉ（ｉは自然数）に含まれる１または複数のアクチュエータ繊維の任意の１つであるアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐ（ｐは自然数）に含まれる高分子繊維体の繊維断面積Ｓｉ,ｐと、前記複数のアクチュエータユニットに含まれる任意の１であるアクチュエータユニットＵｊ（ｊはｉと異なる自然数）に含まれる１または複数のアクチュエータ繊維の任意の１つであるアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑ（ｑはｉ,ｐと異なる自然数）に含まれる高分子繊維体の繊維断面積Ｓｊ,ｑとが、Ｓｉ,ｐ＜Ｓｊ,ｑの関係にあり、前記アクチュエータユニットＵｉと前記アクチュエータユニットＵｊとが、互いに異なるアクチュエータユニットであり、前記繊維断面積Ｓｉ,ｐは前記アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐの前記高分子繊維体をその中心軸に対して垂直方向に切断した場合の面積であり、前記繊維断面積Ｓｊ,ｑは前記アクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑの前記高分子繊維体をその中心軸に対して垂直方向に切断した場合の面積である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアクチュエータは、求められる応答性に応じて駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施の形態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、アクチュエータ繊維の概略を示す図である。
【図３】図３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。
【図４】図４は、実施の形態にかかるアクチュエータの動作フローを示す図である。
【図５】図５は、実施の形態の変形例におけるアクチュエータの概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本発明の基礎となった知見）
本発明者は、「背景技術」の欄において記載したアクチュエータに関し、以下の問題が生じることを見出した。
【００１２】
背景技術に示されるような、加撚した高分子繊維をコイル状に巻いたアクチュエータでは、駆動効率を高めるために、駆動中にできるだけ熱が逃げないようにすることが重要となる。これは、熱が逃げると目標温度を維持するためにエネルギーを追加で投入する必要が生じるからである。一方で、応答性を高めるためには駆動中にできるだけ熱を逃げやすくすることが重要となる。これは、熱が逃げないとアクチュエータの伸縮の戻り動作が遅くなるからである。このような特性を有する従来のアクチュエータでは、駆動効率を重視すると放熱性の低い構造にしなければならず、必要な応答性を得られないという問題があった。
【００１３】
このような問題を解決するために、本発明の一態様に係るアクチュエータは、ベース部と、相対変位部と、前記ベース部と前記相対変位部の間の複数のアクチュエータユニットを含み、前記複数のアクチュエータユニットの各々は、１または複数のアクチュエータ繊維を含み、前記１または複数のアクチュエータ繊維の各々は、仮想的な軸に螺旋状に巻回され、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を含み、各々が含む前記高分子繊維体の温度が変化すると、伸縮し、前記相対変位部は、前記複数のアクチュエータユニットの任意の１つであるアクチュエータユニットに含まれる１または複数のアクチュエータ繊維の温度が制御されて、前記ベース部に対して移動され、前記複数のアクチュエータユニットに含まれる任意の１であるアクチュエータユニットＵｉ（ｉは自然数）に含まれる１または複数のアクチュエータ繊維の任意の１つであるアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐ（ｐは自然数）に含まれる高分子繊維体の繊維断面積Ｓｉ,ｐと、前記複数のアクチュエータユニットに含まれる任意の１であるアクチュエータユニットＵｊ（ｊはｉと異なる自然数）に含まれる１または複数のアクチュエータ繊維の任意の１つであるアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑ（ｑはｉ,ｐと異なる自然数）に含まれる高分子繊維体の繊維断面積Ｓｊ,ｑとが、Ｓｉ,ｐ＜Ｓｊ,ｑの関係にあり、前記アクチュエータユニットＵｉと前記アクチュエータユニットＵｊとが、互いに異なるアクチュエータユニットであり、前記繊維断面積Ｓｉ,ｐは前記アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐの前記高分子繊維体をその中心軸に対して垂直方向に切断した場合の面積であり、前記繊維断面積Ｓｊ,ｑは前記アクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑの前記高分子繊維体をその中心軸に対して垂直方向に切断した場合の面積である。
【００１４】
この構成によれば、アクチュエータに高い応答性が必要な場合は、高分子繊維の繊維断面積が小さい、すなわち単位体積当たりの表面積が大きいアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐを含むアクチュエータユニットＵｉで駆動して放熱性を高め、それほど応答性が必要ない場合は、駆動効率を重視して、高分子繊維の繊維断面積が大きい、すなわち単位体積当たりの表面積が小さいアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑを含むアクチュエータユニットＵｊで駆動して放熱性を抑制することができる。よって、必要な応答性に応じてアクチュエータを駆動することができる。
【００１５】
以下、実施の形態にかかるアクチュエータについて、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
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、本発明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。
【００１７】
（実施の形態）
＜アクチュエータの構成＞
図１は、本実施の形態にかかるアクチュエータ１の概略を示す図である。
【００１８】
アクチュエータ１は、複数のアクチュエータユニットを備えている。本実施の形態のアクチュエータ１では、複数のアクチュエータユニットとして、アクチュエータユニットＵ１とアクチュエータユニットＵ２とアクチュエータユニットＵ３とを有している。アクチュエータユニットＵ１、アクチュエータユニットＵ２およびアクチュエータユニットＵ３は、ベース部の一例としての板状部材１１と相対変位部の一例としての板状部材１２との間に設けられている。
【００１９】
複数のアクチュエータユニットの各々は、１または複数のアクチュエータ繊維を含んでいる。具体的には、アクチュエータユニットＵ１は、１６本のアクチュエータ繊維Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９、Ｔ１０、Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４、Ｔ１５、Ｔ１６により構成されている。アクチュエータユニットＵ２は、４本のアクチュエータ繊維Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２４により構成されている。アクチュエータユニットＵ３は、１本のアクチュエータ繊維Ｔ３１により構成されている。
【００２０】
各アクチュエータ繊維は、アクチュエータ繊維Ｔ１、Ｔ２、Ｔ２１、Ｔ３〜Ｔ６、Ｔ２２、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ３１、Ｔ９、Ｔ１０、Ｔ２３、Ｔ１１〜Ｔ１４、Ｔ２４、Ｔ１５、Ｔ１６の順に、同一平面上に一列に並んで配置されている。また、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、Ｔ２１〜Ｔ２４、Ｔ３１は、列の両端に位置する２つのアクチュエータ繊維Ｔ１、Ｔ１６の中間線を基準として線対称である。
【００２１】
アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、Ｔ２１〜Ｔ２４、Ｔ３１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。各アクチュエータ繊維は、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、各アクチュエータ繊維に熱を加えることで、各アクチュエータ繊維の全長が収縮するように構成されている。なお、アクチュエータ繊維の単体の構成については、後で詳しく説明する。
【００２２】
アクチュエータユニットＵ１は、同一ばね形状、同一長さのアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６により構成されている。アクチュエータユニットＵ２は、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６と相似形状かつ長さが同一で、高分子繊維体の径が２倍（繊維断面積が４倍）のアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４により構成されている。アクチュエータユニットＵ３は、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６と相似形状かつ長さが同一で、高分子繊維体の径が４倍（繊維断面積が１６倍）の１本のアクチュエータ繊維Ｔ３１により構成されている。なお、同一ばね形状とは、各アクチュエータ繊維の、コイル径と、ばねピッチと、高分子繊維体の径とが同じであることを示す。相似形状とは、比較すべき２つのアクチュエータ繊維において、コイル径、ばねピッチおよび高分子繊維体の径の比率が同じであることを示す。繊維断面積とは、高分子繊維体をその中心軸に対して垂直方向に切断した場合の面積である。
【００２３】
また、アクチュエータユニットＵ１に含まれる１６本のアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６の各々の高分子繊維体の繊維断面積の総和と、アクチュエータユニットＵ２に含まれる４本のアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４の各々の高分子繊維体の繊維断面積の総和と、アクチュエータユニットＵ３である１本のアクチュエータ繊維Ｔ３１の高分子繊維体の繊維断面積とは、互いに等しい関係にある。
【００２４】
アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、Ｔ２１〜Ｔ２４、Ｔ３１のそれぞれが上記の形状、長さを有することで、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６のそれぞれの表面積を合計した総表面積は、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４のそれぞれの表面積を合計した総表面積よりも大きくなっている。アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４のそれぞれの表面積を合計した総表面積は、アクチュエータ繊維Ｔ３１の表面積よりも大きくなっている。例えば、単位体積当たりの表面積の大小関係は、アクチュエータ繊維Ｔ１＞アクチュエータ繊維Ｔ２１＞アクチュエータ繊維Ｔ３１となっている。
【００２５】
アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６は、板状部材１１に対して、それぞれ接続部材５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌ、５ｍ、５ｎ、５ｏ、５ｐを介して一端を接続されている。同様に、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４は、板状部材１１に対して、それぞれ接続部材７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを介して一端を接続されている。さらに、アクチュエータ繊維Ｔ３１は、板状部材１１に対して、接続部材９を介して一端を接続されている。また、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６は、板状部材１２に対して、それぞれ接続部材６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ、６ｉ、６ｊ、６ｋ、６ｌ、６ｍ、６ｎ、６ｏ、６ｐを介して他端を接続されている。同様に、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４は、板状部材１２に対して、それぞれ接続部材８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを介して他端を接続されている。さらに、アクチュエータ繊維Ｔ３１は、板状部材１２に対して、接続部材１０を介して他端を接続されている。
【００２６】
接続部材５ａ〜５ｐ、接続部材６ａ〜６ｐ、接続部材７ａ〜７ｄ、接続部材８ａ〜８ｄ、接続部材９および接続部材１０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１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、軽量であるので望ましい。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がより望ましい。
【００２７】
アクチュエータ１は制御部１３により駆動される。制御部１３は、板状部材１２を移動させるための動作指令を動作指令部１８から取得し、この動作指令をアクチュエータユニットＵ１への動作指令、アクチュエータユニットＵ２への動作指令、または、アクチュエータユニットＵ３への動作指令に分類し、それぞれへの動作指令に基づいてアクチュエータユニットＵ１、アクチュエータユニットＵ２、または、アクチュエータユニットＵ３を伸縮させて板状部材１２を移動させる。
【００２８】
具体的な一例として、制御部１３には、電源１４と、コントローラ１５と、スイッチ１７ａ、１７ｂ、１７ｃが備えられている。コントローラ１５には、アクチュエータ１の動作を指示するための動作指令部１８が接続されている。コントローラ１５は、スイッチ１７ａをオンオフすることで配線１６ａと電源１４との接続状態を切り替えアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６の通電を制御し、スイッチ１７ｂをオンオフすることで配線１６ｂと電源１４との接続状態を切り替えアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４の通電を制御し、スイッチ１７ｃをオンオフすることで配線１６ｃと電源１４との接続状態を切り替えアクチュエータ繊維Ｔ３１の通電を制御する。配線１６ａは、板状部材１１、接続部材５ａ〜５ｐを介して、それぞれアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６と電気的に接続されている。同様に、配線１６ｂは、板状部材１１、接続部材７ａ〜７ｄを介して、それぞれアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４と電気的に接続されている。さらに、配線１６ｃは、板状部材１１、接続部材９を介してアクチュエータ繊維Ｔ３１と電気的に接続されている。ただし、板状部材１１において、配線１６ａ、１６ｂ、１６ｃは互いに導通しないように構成されている。また、電源１４とスイッチ１７ａとの間、電源１４とスイッチ１７ｂとの間、電源１４とスイッチ１７ｃとの間には、電圧変換器（図示省略）がそれぞれ設けられている。これらの電圧変換器で、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４、アクチュエータ繊維Ｔ３１に印加する電圧を、互いに異なる電圧としている。
【００２９】
電源１４には配線１６ｄが接続されている。配線１６ｄは板状部材１２に接続されている。配線１６ｄは、板状部材１２、接続部材６ａ〜６ｐ、接続部材８ａ〜８ｄ、接続部材１０を介して、それぞれアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４、アクチュエータ繊維Ｔ３１と電気的に接続されている。
【００３０】
接続部材５ａ〜５ｐ、接続部材７ａ〜７ｄ、接続部材９が導電性のある素材の場合、そのまま配線として利用することができる。接続部材５ａ〜５ｐ、接続部材７ａ〜７ｄ、接続部材９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１６ａとアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６との電気的接続、配線１６ｂとアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４との電気的接続、配線１６ｃとアクチュエータ繊維Ｔ３１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１１、接続部材５ａ〜５ｐ、接続部材７ａ〜７ｄ、接続部材９を介して電源１４とアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４、アクチュエータ繊維Ｔ３１とを電気的に接続しているが、これに限るものではなく、配線１６ａとアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、配線１６ｂとアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４、配線１６ｃとアクチュエータ繊維Ｔ３１をそれぞれ直接接続する構成としても良い。
【００３１】
接続部材６ａ〜６ｐ、接続部材８ａ〜８ｄ、接続部材１０が導電性のある素材の場合、そのまま配線として利用することができる。接続部材６ａ〜６ｐ、接続部材８ａ〜８ｄ、接続部材１０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１６ｄとアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６との電気的接続、配線１６ｄとアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４との電気的接続、配線１６ｄとアクチュエータ繊維Ｔ３１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１１、接続部材６ａ〜６ｐ、接続部材８ａ〜８ｄ、接続部材１０を介して電源１４とアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４、アクチュエータ繊維３１とを電気的に接続しているが、これに限るものではなく、配線１６ｄとアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、配線１６ｄとアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４、配線１６ｄとアクチュエータ繊維Ｔ３１をそれぞれ直接接続する構成としても良い。
【００３２】
次に、アクチュエータ１の動作を説明する。まず、アクチュエータ１の板状部材１１は固定された状態にあり、板状部材１２は図１の下方向に負荷Ｆが加えられた状態で、図１の上下方向に移動できるようになっている。
【００３３】
アクチュエータ１を動作させる場合、図５に示すように、制御部１３が、動作指令部１８からの動作指令を取得する（図５：Ｓ１）。
【００３４】
この動作指令は、制御部１３のコントローラ１５にて、例えば周波数帯域ごとに分類され（図５：Ｓ２）、スイッチ１７ａをオンオフ制御する動作指令、スイッチ１７ｂをオンオフ制御する動作指令、および、スイッチ１７ｃをオンオフ制御する動作指令に振り分けられる。
【００３５】
そして、スイッチ１７ａの短絡によりアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６が通電加熱され、アクチュエータユニットＵ１が駆動される。また、スイッチ１７ｂの短絡によりアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４が通電加熱され、アクチュエータユニットＵ２が駆動される。また、スイッチ１７ｃの短絡によりアクチュエータ繊維Ｔ３１が通電加熱され、アクチュエータユニットＵ３が駆動される。なお、これらアクチュエータユニットＵ１、アクチュエータユニットＵ２、および、アクチュエータユニットＵ３の駆動は、択一的に実行される（図５：Ｓ３）。
【００３６】
動作指令部１８からの動作指令は、例えば時間と共に変化する電圧指令値として与えられる。この電圧指令値は、アクチュエータ１の動作を開ループ制御するための動作指令値であってもよいし、外部にアクチュエータ１の動作によって出力が変化するセンサを設けて、そのセンサ値が目標に沿うようフィードバックするための閉ループ制御の動作指令値であってもよい。
【００３７】
コントローラ１５は、電圧指令値に応じてスイッチ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの接続を調節しながらアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、Ｔ２１〜Ｔ２４、Ｔ３１を通電加熱し、アクチュエータ１を動作させる。動作指令部１８からの動作指令は、一例として、ハイパスフィルタ（例えば０．１Ｈｚ以上）、バンドパスフィルタ（例えば０．０１Ｈｚ〜０．１Ｈｚ）、ローパスフィルタ（例えば０．０１Ｈｚ以下）により分類される。コントローラ１５は、ハイパスフィルタで分類された動作指令に基づいてスイッチ１７ａを例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御で動作させる。また、コントローラ１５は、バンドパスフィルタで分類された動作指令に基づいてスイッチ１７ｂを例えばＰＷＭ制御で動作させる。さらに、コントローラ１５は、ローパスフィルタで分類された動作指令に基づいてスイッチ１７ｃを例えばＰＷＭ制御で動作させる。
【００３８】
このように制御することで、動作指令において高い応答性が必要となる高い周波数の動作信号により、アクチュエータ繊維の総表面積が最も大きい、放熱性に優れたアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６を駆動する。また、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６で駆動される動作指令よりも応答性を必要としない中間周波数域の動作信号により、アクチュエータ繊維の総表面積がアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６の１／２になるアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４を駆動する。さらに、動作指令において最も応答性が必要としない低い周波数の動作信号により、アクチュエータ繊維の総表面積がアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６の１／４になるアクチュエータ繊維Ｔ３１を駆動する。
【００３９】
＜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２は、単体である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、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４およびアクチュエータ繊維Ｔ３１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の距離が変化するようになっている。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本の高分子繊維を捩ることで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ので望ましいが、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ので望ましい。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ので望ましい。
【００４０】
図２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体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２の（ｂ）に示すようにアクチュエータ繊維２１がΔＬだけ収縮動作する。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２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の周辺にある気体や液体の温度を変化させる方法や、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、取り扱いが容易な点で望ましい。通電加熱によるアクチュエータ繊維２１の温度調節は、印加する電圧や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、通電加熱は直流だけでなく交流でも実施可能である。
【００４１】
アクチュエータ繊維２１は、その温度を上げる場合には、エネルギーを短時間に投入することで素早く温度を上げることができるが、温度を下げる場合には、例えば自然放熱であると、温度を上げるときに比べて温度変化のスピードが遅くなり、応答性が低下する。温度を下げる場合の温度変化のスピードは、高分子繊維体の繊維断面積が小さいほど、すなわち、単位体積当たりの表面積が大きいほど早くなる。
【００４２】
図３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３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３の下方にＰ１だけの負荷を加えた時、アクチュエータ繊維２１は図３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ΔＬだけ図３の上方に変位する。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。
【００４３】
一方で、取付部２２ｂに図３の下方にＰ２（＞Ｐ１）だけの負荷を加えた時、アクチュエータ繊維２１は図３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３の（ｂ）に示す時と同様にΔＬだけ図３の上方に変位する。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。
【００４４】
また、アクチュエータ繊維２１の発生力Ｆａは、コイル状に巻かれた形状が相似である場合、繊維断面積に比例する。また、アクチュエータ繊維２１のコイルばねとしてのばね定数ｋは、繊維断面積に比例し、アクチュエータ繊維２１の長さに反比例するので、アクチュエータ繊維２１と相似形状のアクチュエータ繊維では、発生ひずみも同等になる。したがって、アクチュエータ繊維２１と相似形状のアクチュエータ繊維がアクチュエータ繊維２１と同じ長さの場合、温度変化とΔＬとの関係は同じとみなすことができる。
【００４５】
＜アクチュエータの効果＞
次に、本実施の形態にかかるアクチュエータ１の効果について説明する。
【００４６】
スイッチ１７ａを接続してアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６を通電加熱すると、その温度変化に応じてそれぞれが駆動力を発生する。ここで、１本当たりの発生力をＦ１とすると、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６は同一形状、同一長さのアクチュエータ繊維が１６本並んで配置されているので、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６全体（アクチュエータユニットＵ１）の発生力は１６Ｆ１となる。また、１本当たりのばね定数をｋとすると、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６全体のばね定数は１６ｋとなり、全体の発生変位はＦ１／ｋとなる。
【００４７】
スイッチ１７ｂを接続してアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４を通電加熱すると、その温度変化に応じてそれぞれが駆動力を発生する。アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４は、それぞれがアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６に比べて高分子繊維体の線径が２倍（繊維断面積が４倍）で同一長さの相似形状したアクチュエータ繊維なので、１本当たりの発生力は繊維断面積に比例して４Ｆ１となる。一方で、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４の本数は、総繊維断面積が等しくなるようにアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６の本数の１６本に対して、４本になっている。したがって、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４全体（アクチュエータユニットＵ２）の発生力は、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６全体の発生力と同じ１６Ｆ１となる。また、１本当たりのばね定数も繊維断面積に比例して４ｋになり、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４全体としては１６ｋとなる。したがって、全体の発生変位もアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６全体と同じＦ１／ｋとなる。
【００４８】
同様に、スイッチ１７ｃを接続してアクチュエータ繊維Ｔ３１を通電加熱すると、その温度変化に応じてそれぞれが駆動力を発生する。アクチュエータ繊維Ｔ３１は、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６に比べて高分子繊維体の線径が４倍（繊維断面積が１６倍）で同一長さの相似形状したアクチュエータ繊維なので、発生力は繊維断面積に比例して１６Ｆ１となる。アクチュエータ繊維Ｔ３１は１本でアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６全体と総繊維断面積が等しくなっているので、アクチュエータユニットＵ３は１本のアクチュエータ繊維Ｔ３１だけで構成されている。ばね定数も繊維断面積に比例して１６ｋになり、発生変位もアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６全体と同じＦ１／ｋとなる。
【００４９】
以上のように、本実施の形態における構成では、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６で構成されるアクチュエータユニットＵ１と、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４で構成されるアクチュエータユニットＵ２と、アクチュエータ繊維Ｔ３１で構成されるアクチュエータユニットＵ３とは、それぞれ発生力も発生変位も等しくなる。アクチュエータ繊維の総体積で比較しても、それぞれのアクチュエータ繊維で等しくなっており、温度変化に必要なエネルギーも同一と考えることができる（アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４およびアクチュエータ繊維Ｔ３１のそれぞれの駆動性能自体は変わらない）。しかし、アクチュエータ繊維の総表面積については違いができ、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６に比べて、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４の総表面積は１／２となり、アクチュエータ繊維Ｔ３１の総表面積は１／４となる。
【００５０】
アクチュエータ１において、放熱によりアクチュエータ繊維から放出されるエネルギーはアクチュエータ繊維の総表面積に依存する。そのため、アクチュエータ１をアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４で駆動する場合は、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６で駆動する場合と比べて、放熱性が下がることになり、応答性は劣るが、放熱による熱損失が低減して駆動効率は向上する。逆に、アクチュエータ１をアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６で駆動する場合は、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４で駆動する場合と比べて、放熱による熱損失が増加して駆動効率は低下するが、放熱性が上がることになり応答性は向上する。
【００５１】
＜まとめ＞
本実施の形態によれば、応答性が必要な場合は、放熱性を高めるため、高分子繊維の繊維断面積が小さい、すなわち単位体積当たりの表面積の大きいアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６でアクチュエータ１を駆動する。また、それほど応答性が必要ない場合は、駆動効率を重視して放熱性を抑制するため、高分子繊維の繊維断面積が大きい、すなわち単位体積当たりの表面積の小さいアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４でアクチュエータ１を駆動する。よって、求められる応答性に応じてアクチュエータ１を駆動することができる。
【００５２】
なお、上記では、３種類のアクチュエータ繊維のうち、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６とアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４を代表例に挙げて説明したが、アクチュエータ繊維Ｔ３１を含めても同様のことがいえる。すなわち、応答性が必要な場合は、単位体積当たりの表面積の大きいアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６でアクチュエータ１を駆動し、それほど応答性が必要ない場合は、単位体積当たりの表面積の小さいアクチュエータ繊維Ｔ３１でアクチュエータ１を駆動することもできる。
【００５３】
また、本実施の形態では、アクチュエータ１を３種類のアクチュエータ繊維で構成しているが、これに限られず、２種類または４種類以上のアクチュエータ繊維で構成してもよい。また、アクチュエータユニットＵ３を１本のアクチュエータ繊維Ｔ３１により構成したが、これに限るものでなく、アクチュエータユニットＵ３を、複数本のアクチュエータ繊維により構成してもよい。
【００５４】
すなわち、本実施の形態をアクチュエータ繊維の種類数またはアクチュエータユニットの数に限られず、普遍化して表現すれば以下に示すようになる。
【００５５】
アクチュエータ１は、複数のアクチュエータユニットに含まれる任意の１であるアクチュエータユニットＵｉ（ｉは自然数）と、複数のアクチュエータユニットに含まれる、アクチュエータユニットＵｉとは異なる任意の１であるアクチュエータユニットＵｊ（ｊはｉと異なる自然数）とを有している。アクチュエータユニットＵｉには、１または複数のアクチュエータ繊維の任意の１つであるアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐ（ｉ,ｑは自然数）が含まれ、アクチュエータユニットＵｊには、１または複数のアクチュエータ繊維の任意の１つであるアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑ（ｊはｉと異なる自然数、ｑはｉ,ｐと異なる自然数）が含まれている。
【００５６】
そして、アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐに含まれる高分子繊維体の繊維断面積Ｓｉ,ｐ（ｉ,ｐは自然数）と、アクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑに含まれる高分子繊維体の繊維断面積Ｓｊ,ｑ（ｊはｉと異なる自然数、ｑはｉ,ｐと異なる自然数）とが、繊維断面積Ｓｉ,ｐ＜繊維断面積Ｓｊ,ｑの関係にある。なお、繊維断面積Ｓｉ,ｐは、アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐの高分子繊維体を、高分子繊維体の中心軸に対して垂直方向に切断した場合の面積であり、繊維断面積Ｓｊ,ｑは、アクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑの高分子繊維体を、高分子繊維体の中心軸に対して垂直方向に切断した場合の面積である。
【００５７】
この構成によれば、アクチュエータ１に高い応答性が必要な場合は、放熱性を高めるため、高分子繊維の繊維断面積が小さい、すなわち単位体積当たりの表面積が大きいアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐを含むアクチュエータユニットＵｉで駆動し、それほど応答性が必要ない場合は、駆動効率を重視し放熱性を抑制して、高分子繊維の繊維断面積が大きい、すなわち単位体積当たりの表面積が小さいアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑを含むアクチュエータユニットＵｊで駆動する。これにより、必要な応答性に応じてアクチュエータ１を駆動することができる。
【００５８】
なお、アクチュエータユニットＵｉは、１つのアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐ（ｉ＝ｐ）で構成されていてもよいし、アクチュエータユニットＵｊは、１つのアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑ（ｊ＝ｑ）で構成されていてもよい。その場合、繊維断面積Ｓｉ,ｐ＜繊維断面積Ｓｊ,ｑ（ただしｉ＝ｐ、ｊ＝ｑ）の関係となる。
【００５９】
また、アクチュエータ１において、アクチュエータユニットＵｉに含まれる１または複数のアクチュエータ繊維の各々の高分子繊維体の繊維断面積の総和と、アクチュエータユニットＵｊに含まれる１または複数のアクチュエータ繊維の各々の高分子繊維体の繊維断面積の総和とが等しい関係にある。
【００６０】
この構成によれば、アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐとアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑとの駆動性能を、放熱性を除いてほぼ同等にすることができ、より設計が容易なアクチュエータ１を得ることができる。
【００６１】
また、アクチュエータユニットＵｉが複数のアクチュエータ繊維を含む場合、アクチュエータユニットＵｉに含まれる任意の２つのアクチュエータ繊維は、同じアクチュエータ繊維により構成されている。
【００６２】
この構成によれば、アクチュエータ繊維Ｔｉとアクチュエータ繊維Ｔｐの性能をアクチュエータ繊維１本当たりの性能から容易に類推できるので、より設計が容易なアクチュエータ１が得られる。しかし、これに限るものではなく、異なるアクチュエータ繊維を組み合わせても同様に実施可能である。
【００６３】
また、アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐとアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑとが相似形状であり、かつ、長さが同じである。
【００６４】
この構成によれば、アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐとアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑとの駆動性能を、放熱性を除いてほぼ同等にすることができ、より設計が容易なアクチュエータ１が得られる。しかし、これに限るものではなく、例えば、相似形状でないアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑを用いた場合、コントローラ１５による補正動作が必要になるが、繊維断面積Ｓｉ,ｐを大きくすることで、アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐとアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑとの放熱性を切り替えることは可能である。
【００６５】
また、アクチュエータユニットＵｉに含まれる１または複数のアクチュエータ繊維、および、アクチュエータユニットＵｊに含まれる１または複数のアクチュエータ繊維が、一列に並んで配置されている。
【００６６】
この構成によれば、アクチュエータ１を薄型化することができる。
【００６７】
また、アクチュエータユニットＵｉに含まれる１または複数のアクチュエータ繊維、および、アクチュエータユニットＵｊに含まれる１または複数のアクチュエータ繊維は、列の両端に位置する２つのアクチュエータ繊維の中間線を基準として線対称に配置されている。
【００６８】
この構成によれば、アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐまたはアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑで相対変位部を移動する際に、モーメントを発生させることがなくなるので、より使いやすいアクチュエータ１が得られる。
【００６９】
なお、本実施の形態では、互いに隣り合って配置されている、アクチュエータ繊維Ｔ１、Ｔ２の間隔Ｉ１、アクチュエータ繊維Ｔ３〜Ｔ６のそれぞれの間隔Ｉ１、アクチュエータ繊維Ｔ７、Ｔ８の間隔Ｉ１、アクチュエータ繊維Ｔ９、Ｔ１０の間隔Ｉ１、アクチュエータ繊維Ｔ１１〜Ｔ１４のそれぞれの間隔Ｉ１、および、アクチュエータ繊維Ｔ１５、Ｔ１６の間隔Ｉ１は一定である。
【００７０】
また、互いに隣り合って配置されている、アクチュエータ繊維Ｔ２、Ｔ２１の間隔、アクチュエータ繊維Ｔ２１、Ｔ３の間隔Ｉ２、アクチュエータ繊維Ｔ６、Ｔ２２の間隔Ｉ２、アクチュエータ繊維Ｔ２２、Ｔ７の間隔Ｉ２、アクチュエータ繊維Ｔ１０、Ｔ２３の間隔Ｉ２、アクチュエータ繊維Ｔ２３、Ｔ１１の間隔Ｉ２、アクチュエータ繊維Ｔ１４、Ｔ２４の間隔Ｉ２、アクチュエータ繊維Ｔ２４、Ｔ１５の間隔Ｉ２は一定である。
【００７１】
また、互いに隣り合って配置されている、アクチュエータ繊維Ｔ８、Ｔ３１の間隔Ｉ３、アクチュエータ繊維Ｔ３１、Ｔ９の間隔Ｉ３は一定である。
【００７２】
そして、これらの間隔Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の関係は、間隔Ｉ１＜間隔Ｉ２＜間隔Ｉ３となっている。
【００７３】
すなわち、アクチュエータ１では、アクチュエータユニットＵｉはアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐに隣り合うアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐ＋１を含み、アクチュエータユニットＵｊに含まれる１または複数のアクチュエータ繊維に含まれるアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑは、アクチュエータユニットＵｉに含まれる１または複数のアクチュエータ繊維に含まれるアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐと隣り合い、アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐとアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐ＋１との間の距離は、アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐとアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑとの間の距離より小さい。
【００７４】
この構成によれば、温度差の生じやすいアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐとアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑとの間隔を広くしつつ、温度差の小さいアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐ＋１同士の間隔を狭くすることができるので、アクチュエータ繊維間の温度差による熱伝達の影響を低減しつつ、アクチュエータ１の全体サイズを小さくすることができる。しかし、これに限るものではなく、アクチュエータ１全体の放熱性を高めたい場合などは、各アクチュエータ繊維間の間隔を全体的に大きくなるよう、例えば全て等間隔に配置してもよい。
【００７５】
また、アクチュエータ１において、アクチュエータユニットＵｊは複数のアクチュエータ繊維を含まない。
【００７６】
この構成によれば、アクチュエータ１が、２種類の放熱性の異なるアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐおよびアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑで構成されるので、アクチュエータ１の構造を簡略化することができる。
【００７７】
（本実施の形態の制御部および他の実施の形態の制御部）
本実施の形態では、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４で構成されるアクチュエータユニットＵ２と、アクチュエータ繊維Ｔ３１で構成されるアクチュエータユニットＵ３を備えている。そして、制御部１３が、板状部材１２を移動させるための動作指令を取得し、この動作指令をアクチュエータユニットＵｉへの動作指令またはアクチュエータユニットＵｊへの動作指令に分類し、それぞれへの動作指令に基づいてアクチュエータユニットＵｉまたはアクチュエータユニットＵｊを伸縮させて、板状部材１２を移動させている。
【００７８】
この構成によれば、それぞれの動作指令に基づいて作動させるアクチュエータユニットＵｉまたはＵｊを切り替えることができ、求められる応答性に応じてアクチュエータを駆動することができる。しかし、これに限るものではなく、アクチュエータ１は、アクチュエータユニットＵ１およびアクチュエータユニットＵ２のみを備えてもよい。また、アクチュエータ１が、アクチュエータユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３とは異なる他のアクチュエータユニットを備えてもよい。
【００７９】
また、本実施の形態では、動作指令を周波数帯域に基づいて分類している。具体的には、制御部１３は、高周波帯域の動作指令をアクチュエータユニットＵ１への動作指令とし、低周波帯域の動作指令をアクチュエータユニットＵ２またはアクチュエータユニットＵ３への動作指令としている。すなわち、制御部１３は、動作指令を、動作指令の周波数帯域に基づいて分類し、高周波帯域の動作指令をアクチュエータユニットＵｉへの動作指令とし、低周波帯域の動作指令をアクチュエータユニットＵｊへの動作指令とし、分類を行っている。
【００８０】
この構成によれば、高い応答性が必要な高周波帯域の動作指令に対しては、放熱性を高めるため、単位体積当たりの表面積が大きいアクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐを含むアクチュエータユニットＵｉで駆動し、それほど応答性が必要ない低周波帯域の動作指令に対しては、駆動効率を重視し放熱性を抑制するため、単位体積当たりの表面積が小さいアクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑを含むアクチュエータユニットＵｊで駆動することができる。よって、必要な応答性に応じてアクチュエータ１を駆動することができる。
【００８１】
しかし、これに限るものではなく、例えば、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御で動作する場合には、動作指令は微分動作と比例動作と積分動作との組み合わせとなるので、動作指令を応答性が必要な順に微分動作、比例動作、積分動作とに分類してもよい。比例動作とは、現在値と設定値の偏差に比例して操作量を変化させる動作であり、微分動作とは、偏差の生じる速さに比例して操作量を変化させる動作であり、積分動作とは、偏差の積分値の大きさに比例して操作量を変化させる動作である。
【００８２】
例えば、制御部１３は、動作指令における比例動作をアクチュエータユニットＵ１への動作指令とし、動作指令における積分動作をアクチュエータユニットＵ２またはアクチュエータユニットＵ３への動作指令としてもよい。
【００８３】
すなわち、制御部１３は、動作指令における比例動作をアクチュエータユニットＵｉへの動作指令とし、動作指令における積分動作をアクチュエータユニットＵｊへの動作指令とし、分類を行ってもよい。
【００８４】
この構成によれば、高い応答性が必要な比例動作の動作指令に対しては、放熱性を高めるため、アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐを含むアクチュエータユニットＵｉで駆動し、それほど応答性が必要ない積分動作の動作指令に対しては、駆動効率を重視し放熱性を抑制するため、アクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑを含むアクチュエータユニットＵｊで駆動することができる。よって、必要な応答性に応じてアクチュエータ１を駆動することができる。
【００８５】
例えば、制御部１３は、動作指令における微分動作をアクチュエータユニットＵ１への動作指令とし、動作指令における比例動作をアクチュエータユニットＵ２またはアクチュエータユニットＵ３への動作指令としてもよい。
【００８６】
すなわち、制御部１３が、動作指令における微分動作をアクチュエータユニットＵｉへの動作指令とし、動作指令における比例動作をアクチュエータユニットＵｊへの動作指令とし、分類を行ってもよい。
【００８７】
この構成によれば、高い応答性が必要な微分動作の動作指令に対しては、アクチュエータ繊維Ｔｉ,ｐを含むアクチュエータユニットＵｉで駆動して放熱性を高め、それほど応答性が必要ない比例動作の動作指令に対しては、駆動効率を重視して、アクチュエータ繊維Ｔｊ,ｑを含むアクチュエータユニットＵｊで駆動して放熱性を抑制することができる。よって、必要な応答性に応じてアクチュエータを駆動することができる。
【００８８】
例えば、制御部１３が、動作指令を周波数帯域に基づいて分類し、最も高周波帯域の動作指令をアクチュエータユニットＵ１への動作指令とし、それ以外の周波数帯域の動作指令のうち、周波数帯域の高い動作指令をアクチュエータユニットＵ２への動作指令とし、周波数帯域の低い動作指令をアクチュエータユニットＵ３への動作指令とし、動作指令の分類を行ってもよい。
【００８９】
すなわち、複数のアクチュエータユニットがアクチュエータユニットＵｉ、アクチュエータユニットＵｊを含む３以上のアクチュエータユニットを含み、制御部１３が、動作指令を周波数帯域に基づいて分類し、最も高周波帯域の動作指令をアクチュエータユニットＵｉへの動作指令とし、それ以外の周波数帯域の動作指令のうち、周波数帯域の高いものほど、アクチュエータユニットＵｉを除く複数のアクチュエータユニットのうち、小さな繊維断面積のアクチュエータ繊維を有するアクチュエータユニットへの動作指令とし、分類を行ってもよい。
【００９０】
この構成によれば、高い応答性が必要な動作指令で駆動されるアクチュエータ繊維ほど駆動効率と引き替えに放熱性が高くなるので、必要な応答性に応じてより細かく放熱性が切り替わるアクチュエータ１が得られる。
【００９１】
例えば、制御部１３が、動作指令における微分動作をアクチュエータユニットＵ１への動作指令とし、動作指令における比例動作を、アクチュエータユニットＵ２への動作指令とし、動作指令における積分動作を、アクチュエータユニットＵ３への動作指令とし、動作指令の分類を行ってもよい。
【００９２】
すなわち、複数のアクチュエータユニットがアクチュエータユニットＵｉ、アクチュエータユニットＵｊを含む３以上のアクチュエータユニットを含み、制御部１３が、動作指令における微分動作をアクチュエータユニットＵｉへの動作指令とし、動作指令における比例動作を、アクチュエータユニットＵｉを除く複数のアクチュエータユニットのうち、アクチュエータユニットＵｉより繊維断面積が小さいアクチュエータ繊維を有するアクチュエータユニットＵｊへの動作指令とし、動作指令における積分動作を、アクチュエータユニットＵｉ、Ｕｊを除く複数のアクチュエータユニットのうち、アクチュエータユニットＵｊより繊維断面積が小さいアクチュエータ繊維を有するアクチュエータユニットへの動作指令とし、分類を行ってもよい。
【００９３】
この構成によれば、積分動作、比例動作、微分動作の順に応答性が求められていく動作指令に対して、対応するアクチュエータ繊維も順に駆動効率と引き替えに放熱性が高くなるので、必要な応答性に応じてより細かく放熱性が切り替わるアクチュエータ１が得られる。
【００９４】
なお、アクチュエータ１が、アクチュエータユニットＵｉおよびアクチュエータユニットＵｊをそれぞれ１つだけ備える場合には、微分動作と比例動作との組み合わせ、比例動作と積分動作との組み合わせ、微分動作とＰＩ動作（比例および積分動作）との組み合わせ、ＰＤ動作（比例および微分動作）と積分動作との組み合わせで分類してもよい。
【００９５】
（変形例）
なお、本実施の形態では、総繊維断面積が一致するように、アクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４の本数をアクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６の本数の１／４にし、アクチュエータ繊維Ｔ３１の本数をアクチュエータ繊維Ｔ２１〜Ｔ２４の本数の１／４にしている。これは、総繊維断面積が正確に一致するので望ましい。しかし、断面積比が整数でない場合など、本数の調節では総繊維断面積を正確に一致させることができない場合があるが、厳密に一致する必要はなく、例えば５％程度の総繊維断面積のずれがあっても同様に実施可能である。
【００９６】
また、本実施の形態では、スイッチ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを動作させることで通電加熱の程度を調節しているが、これに限るものではなく、電源１４において出力電圧や出力電流を調節してもよい。また、電源１４と、それぞれのスイッチ１７ａ、１７ｂ、１７ｃとの間に、電圧変換器を設けて出力電圧を変えてもよい。
【００９７】
また、本実施の形態では、アクチュエータ繊維Ｔ１〜Ｔ１６、Ｔ２１〜Ｔ２１、Ｔ３１を電気的に並列配置しているが、これに限るものではなく、電気的に直列に配置したり、並列と直列を組み合わせた配置にしてもよい。
【００９８】
また、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。
【００９９】
また、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な点で望ましい。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。
【０１００】
また、本実施の形態では、各アクチュエータ繊維を一列に並べて配置したが、これに限るものでなく、各アクチュエータ繊維を立体的に配置してもよい。図５は、変形例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、円盤状の板状部材１１ａ、１２ａの間に、アクチュエータユニットＵ５１、アクチュエータユニットＵ５２、および、アクチュエータユニットＵ５３が設けられている。
【０１０１】
アクチュエータユニットＵ５１は、板状部材１１ａの外周付近に設けられた８本のアクチュエータ繊維Ｔ５１、Ｔ５２、Ｔ５３、Ｔ５４、Ｔ５５、Ｔ５６、Ｔ５７、Ｔ５８により構成されている。アクチュエータユニットＵ５２は、アクチュエータユニットＵ５１よりも内側に設けられた４本のアクチュエータ繊維Ｔ６１、Ｔ６２、Ｔ６３、Ｔ６４により構成されている。アクチュエータユニットＵ５３は、アクチュエータユニットＵ５２よりも内側に設けられ、板状部材１１ａの中央に１本設けられたアクチュエータ繊維Ｔ７１により構成されている。これらのアクチュエータ繊維を構成する高分子繊維の繊維断面積の大小関係は、例えば、アクチュエータ繊維Ｔ５１＜アクチュエータ繊維Ｔ６１＜アクチュエータ繊維Ｔ７１となっている。変形例にかかるアクチュエータ１においても、求められる応答性に応じてアクチュエータを駆動することができる。
【０１０２】
以上、アクチュエータについて、実施の形態および変形例に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明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も、この態様の範囲内に含まれてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明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、本発明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】
【０１０４】
１、１ａ  アクチュエータ
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌ、５ｍ、５ｎ、５ｏ、５ｐ  接続部材
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ、６ｉ、６ｊ、６ｋ、６ｌ、６ｍ、６ｎ、６ｏ、６ｐ  接続部材
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ  接続部材
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ  接続部材
９  接続部材
１０  接続部材
１１、１１ａ  板状部材（ベース部）
１２、１２ａ  板状部材（相対変位部）
１３  制御部
１４  電源
１５  コントローラ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ  配線
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ  スイッチ
１８  動作指令部
２１  アクチュエータ繊維
２２ａ、２２ｂ  取付部
Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ５１、Ｕ５２、Ｕ５３  アクチュエータユニット
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９、Ｔ１０、Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４、Ｔ１５、Ｔ１６  アクチュエータ繊維
Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２４  アクチュエータ繊維
Ｔ３１  アクチュエータ繊維
Ｔ５１、Ｔ５２、Ｔ５３、Ｔ５４、Ｔ５５、Ｔ５６、Ｔ５７、Ｔ５８  アクチュエータ繊維
Ｔ６１、Ｔ６２、Ｔ６３、Ｔ６４  アクチュエータ繊維
Ｔ７１  アクチュエータ繊維
【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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