JP2008061465A - 多位置安定型作動構造体とその制御方法および計画方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な作動が可能であり、作動後の弛緩による位置変化が少なく、作動位置の再現性が高く、作動位置を維持するための電力消費が不要であり、外部アクチュエータは不要であり、構造体の形状と形式の制限が少なく、ある位置から他の位置に作動する経路が制限されない多位置安定型作動構造体とその制御方法および計画方法を提供する。
【解決手段】一部が機械的に拘束され、２以上の安定形状を有し、その間を実質的に自由に変形可能な屈曲エレメント２を備える。屈曲エレメント２は、互いに連結された２以上のセグメント５２，５３，５４からなる。セグメントのうち少なくとも１つは電気的刺激により屈曲する能動材料で構成される。さらに、能動材料に電気的刺激を印加する制御装置３を備える。制御装置３により、能動材料を電気的に刺激して屈曲エレメント２をある安定形状から他の安定形状に移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、２以上の安定位置を有し、電気的刺激により安定位置間の切替作動が可能な多位置安定型作動構造体とその制御方法および計画方法に関する。

この出願において、「多位置安定型作動構造体」とは、２以上の安定位置を有し、かつ電気的刺激により複数の安定位置間の切替作動が可能な作動構造体を意味する。なお、この作動構造体は、外部に能動的に作用するアクチュエータと、外部からの外力を受ける受動体を含む。
また、この出願において、「多重安定性」とは、多位置安定性と同義であり、２以上の安定位置で形状を保持できることをいう。また、「安定位置」とは、安定状態と同義であり、同一の位置および状態をそのまま保持することをいう。

近年、医療、福祉、ロボット、エンターテイメント産業などの様々な分野で、生物的な柔らかい動きができる高分子アクチュエータが着目されている。高分子アクチュエータとは、高分子材料を主体とし、高分子材料自体が何らかの刺激に対して応答して変形することを利用するアクチュエータをいう。かかる高分子アクチュエータは、特許文献１〜３に開示されている。

現在、実用化が進んでいる高分子アクチュエータ材料のひとつとして、イオン導電性高分子膜（Ｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ ｇｅｌ Ｆｉｌｍ：ＩＣＰＦ）が知られている。この高分子膜は、イオン導電性高分子膜の両面に電極を備えたものであり、イオン導電性高分子金属複合体（Ｉｏｎｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：ＩＰＭＣ）とも呼ばれる。以下これをＩＰＭＣ膜（又はＩＣＰＦ膜）と呼ぶ。

ＩＰＭＣ膜は、電極間に電圧を加えたときに、高分子内のイオンが膜厚方向に移動し、これに伴い樹脂内の溶媒が膜厚方向に移動し、その結果、膜の一方の面が伸び他方の面が縮むことにより、屈曲する特性を有する。この屈曲運動の応答特性は、低電圧駆動（３Ｖ以下）で応答速度が比較的速く（例えば１０ｍｓ）、変形も大きい。また、機械的、熱的、化学的耐久性にも優れていることが知られている。

上述したＩＰＭＣ膜の屈曲運動を利用したアクチュエータとして、例えば、非特許文献１、２、特許文献４等が既に提案されている。

非特許文献１のアクチュエータは、図２５に示すように、一端が固定され互いに平行に延びる２枚のＩＣＰＦ膜とその先端を結ぶ電極のないＰＦＳＦ（Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏ−ｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ ｍｅｍｂｒａｎｅ）からなり、２枚のＩＣＰＦ膜に位相の異なる電圧をサイン波で印加し、ＰＦＳＦの中間点Ａを楕円運動させ、この点Ａに接触する対象物を摩擦力で直線駆動又は回転駆動するものである。

非特許文献２のアクチュエータは、図２６に示すように、２枚のＩＰＭＣ膜の中間を可撓性材料（例えばセロハン）で連結して直線状に構成し、その２対（４枚）を互いにほぼ平行に配置し、その両端部を１対の連結部材で連結したものである。各ＩＰＭＣ膜の外側を＋極にして電場を加えることによりそれぞれの膜が外側に屈曲し、中間部がフリージョイントの役割を果たし、全長が収縮するようになっている。従ってこの収縮運動を利用して対象物を直線運動や振子運動させることができる。

特許文献４の多位置安定型作動構造体は、図２７に示すように、一端が固定され他端が自由端の２つの屈曲エレメントを備え、屈曲エレメントの自由端に外力を受けた場合に、２以上の所定の安定位置に移動するものである。

Ｓ．ＴＡＤＯＫＯＲＯ，ｅｔ ａｌ．，"Ａｎ Ｅｌｌｉｐｔｉｃ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｄｒｉｖｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｕｓｉｎｇ ａｎ ＩＣＰＦ Ａｃｔｕａｔｏｒ"， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，１９９６． 釜道紀浩、他、「イオン導電性高分子を用いた直動人工筋アクチュエータの開発--−歩行ロボットへの応用を目指して−」、日本ロボット学会創立２０周年記念学術講演会、Ｏｃｔ．２００２．

特開平０６−００６９９１号公報、「アクチュエータ素子」 特開２００５−１７６４２８号公報、「アクチュエータ素子」 特開２００５−３２３４８２号公報、「アクチュエータ」 米国特許出願公開第ＵＳ２００３／００２９７０５号明細書、“ＢＩＳＴＡＢＬＥ ＡＣＴＵＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ， ＭＥＣＨＡＮＩＳＭ， ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ”

本発明に関連する先行技術として、図２２に示す単純屈曲アクチュエータが知られている（例えば特許文献１〜３）。
図２２の単純屈曲アクチュエータは、電気的刺激により屈曲する。ロボット分野において、この単純屈曲アクチュエータは例えば人工筋肉として用いられる。この単純屈曲アクチュエータには、形状記憶合金（ＳＭＡ）やイオン導電性高分子金属複合体（ＩＭＰＣ）などの高分子アクチュエータが含まれる。
しかし単純屈曲アクチュエータは、作動後の弛緩や低い作動再現性などの多くの技術的問題を有している。このため、正確な作動が困難である。また、小型装置であっても、作動位置を維持するために相対的に大きな電力を必要とするため、電力供給上も作動コストは高価になる。

本発明に関連する他の先行技術として、外方向に作動し２位置で安定するビーム構造が知られている。しかし２位置で安定するビーム構造の装置は多くの欠点を有する。例えば、外部アクチュエータを必要とし、構造体の形状と形式が制限され、ある位置から他の位置に作動する経路が制限される。

屈曲アクチュエータに関連する先行技術は、多重安定性を欠く相対的に単純な屈曲装置に集中している。
多重安定性を有する作動装置の分野においては、外部で発生した力で、２位置で安定状態を有する切り替え構造体、例えばスイッチの研究開発に集中している。最も関連する技術として、２つの安定位置を有する薄いバイメタル小片を使用した単純な２位置安定構造体がある。しかしこれらの装置は、作動メカニズムおよび成形可能な構造体の形式において極端に限定される。

図２２は、固定点１４において機械的に固定されたＩＰＭＣなどの電気的に作動する屈曲材料からなる従来の単純ビーム１２を示す。ビーム１２は弛緩された位置にあり、電源１１の印加により作動位置１３に移動する。この技術において電気的に作動する屈曲材料は能動セグメントからなる。なお、この出願において、「能動」とは、自ら変形することを意味し、電気的刺激により変形する材料を「能動材料」と呼ぶ。

図２３Ａは、一端２１が機械的に固定され他端２３が軸方向のみに限定して移動する受動材料からなる従来の単純ビーム２２を示す。ここで単純ビーム２２は軸方向力が作用しない自然弛緩形状で示されている。なお、本出願において、「受動」とは、外力を受けて変形するが、外力なしでは変形しないことを意味する。
図２３Ｂは、付勢力２６により軸方向に圧縮された後の図２３Ａのビーム２２を示しており、ビーム２２は２つの座屈形状２４または２５のいずれかに座屈する。２つの向かい合った形状は、座屈ビームが有する２つの安定位置すなわち安定状態を示す。このように複数の安定位置（すなわち安定状態）を有する構造体を「多位置安定型構造体」と呼ぶ。

図２４Ａおよび図２４Ｂは、端部構造の異なる２つの座屈ビーム構造体を示す。図２４Ａは、２つの回転自由な端部３２ａ／３２ｂに固定されたビーム３１を示している。図２４Ｂは、端部回転を制限する２つの固定端３４ａ／３４ｂに固定されたビーム３３を示している。異なる端部構造により形状の異なる多位置安定型構造体となる。

上述したように、従来の単純屈曲アクチュエータは、正確な作動が困難であり、作動後の弛緩により位置が安定せず、作動の再現性がなく、および作動位置を維持するための電力消費が大きい、等の問題点があった。
また、従来の２位置で安定するビーム構造は、外部アクチュエータを必要とし、構造体の形状と形式が制限され、ある位置から他の位置に作動する経路が制限される、等の問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、正確な作動が可能であり、作動後の弛緩による位置変化が少なく、作動位置の再現性が高く、作動位置を維持するための電力消費が不要であり、外部アクチュエータは不要であり、構造体の形状と形式の制限が少なく、ある位置から他の位置に作動する経路が制限されない多位置安定型作動構造体とその制御方法および計画方法を提供することにある。

本発明によれば、一部が機械的に拘束され、２以上の安定形状を有し、その間を実質的に自由に変形可能な屈曲エレメントを備え、
該屈曲エレメントは、互いに連結された２以上のセグメントからなり、
該セグメントのうち少なくとも１つは電気的刺激により屈曲する能動セグメントであり、
さらに、前記能動セグメントに電気的刺激を印加する制御装置を備え、
該制御装置により、能動セグメントを電気的に刺激して屈曲エレメントをある安定形状から他の安定形状に移動させる、ことを特徴とする多位置安定型作動構造体が提供される。

また、本発明によれば、一部が機械的に拘束され、２以上の安定形状を有し、その間を実質的に自由に変形可能な屈曲エレメントを備え、
該屈曲エレメントは、互いに連結された２以上のセグメントからなり、
該セグメントのうち少なくとも１つは電気的刺激により屈曲する能動セグメントであり、
さらに、前記能動セグメントに電気的刺激を印加する制御装置を備えた多位置安定型作動構造体の制御方法であって、
１つの安定位置から他の安定位置に移動するように、前記能動セグメントに所定の順序で電気的刺激を印加する、ことを特徴とする多位置安定型作動構造体の制御方法が提供される。

また、本発明によれば、一部が機械的に拘束され、２以上の安定形状を有し、その間を実質的に自由に変形可能な屈曲エレメントを備え、
該屈曲エレメントは、互いに連結された２以上のセグメントからなり、
該セグメントのうち少なくとも１つは電気的刺激により屈曲する能動セグメントであり、
さらに、前記能動セグメントに電気的刺激を印加する制御装置を備えた多位置安定型作動構造体の計画方法であって、
２以上のセグメントの境界位置を、前記２以上の安定形状において曲げ応力が最小となる位置に設定する、ことを特徴とする多位置安定型作動構造体の計画方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、各セグメントは能動セグメントと電気的刺激により屈曲しない受動セグメントで構成される。
受動セグメントは、可撓性材料または剛性材料からなる。
屈曲エレメントは、ビーム、板、ダイヤフラム、ロッド、又はこれらの組み合わせである。
多位置安定型作動構造体が安定位置を維持したまま、部分的に変位するように、屈曲エレメントを作動させてもよい。

本発明の多位置安定型作動構造体が直線運動を発生できるように、屈曲エレメントを作動させてもよい。
多位置安定型作動構造体が回転運動を発生できるように、屈曲エレメントを作動させてもよい。
多位置安定型作動構造体が付勢力を発揮できるように、屈曲エレメントを作動させてもよい。

１つまたは複数のセグメントをセンサエレメントとして使用してもよい。
本発明の多位置安定型作動構造体が受動負荷支持エレメントとして作用するように構成してもよい。
多位置安定型作動構造体が能動負荷支持エレメントとして作用するように構成してもよい。
多位置安定型作動構造体が受動ダンパーエレメントとして作用するように構成してもよい。
多位置安定型作動構造体が能動ダンパーエレメントとして作用するように構成してもよい。

本発明の多位置安定型作動構造体が、自然座屈形状にほぼ類似した中間形状を介して、１つの安定位置から他の安定位置に移動するように、能動セグメントに電気的刺激を印加させてもよい。
時間、空間（スペース）、エネルギー効率、制御手段の複雑性、または他の制約要因に対応して位置切り替えを最適化するように、能動セグメントに電気的刺激を印加させてもよい。
多位置安定型作動構造体の一部の運動がある軸に拘束されて安定形状間の経路を追従するように、能動セグメントに電気的刺激を印加させてもよい。

本発明の多位置安定型作動構造体の上面に電気接点エレメントを設けてもよい。
多位置安定型作動構造体が１つの安定位置にある時点において前記電気接点エレメントが電気回路の短絡回路を形成してもよい。
ほぼ垂直方向に延伸するようにビームエレメントを多位置安定型作動構造体に装着してもよい。
前記ビームエレメントは、剛体又は可撓性材でもよい。
前記ビームエレメントは、活性屈曲アクチュエータをなす材料で構成してもよい。
耐摩擦特性の高いエレメントまたは鏡面部材を多位置安定型作動構造体に装着してもよい。
本発明の多位置安定型作動構造体を反射性コーテイングで被覆してもよい。
多位置安定型作動構造体を機械的手段を介してシャフトに装着してもよい。
フックまたはキーエレメントを多位置安定型作動構造体に装着してもよい。
多位置安定型作動構造体が安定位置にある時に前記キーエレメントがシャフトに接触し、多位置安定型作動構造体が不安定位置にある時にシャフトから離れるようにしてもよい。

本発明の多位置安定型作動構造体は、触覚出力装置、点字表示装置、又は触覚センサの一部分であってもよい。
複数の多位置安定型作動構造体を接合して多位置安定型作動構造体からなるシートを構成してもよい。
多位置安定型作動構造体で能動パッキング材料を形成してもよい。
多位置安定型作動構造体で表面に沿った流体流れを制御するエレメントを形成してもよい。
多位置安定型作動構造体で表面に沿って障害物を制御するエレメントを形成してもよい。
多位置安定型作動構造体でノズルを介して液体を排出するエレメントを形成してもよい。

上記本発明の構成によれば、多位置安定型作動構造体が、電気的刺激により屈曲する少なくとも１つの能動セグメントを有するので、能動セグメントを電気的に刺激して屈曲エレメントをある安定形状から他の安定形状に移動させることにより、外部アクチュエータを必要とせずに多位置安定型作動構造体をある安定位置（安定形状、安定状態）から他の安定位置（安定形状、安定状態）に切り替えることができ、正確な作動が可能である。
また、電気的刺激を除去した時にも、多位置安定型作動構造体は最後の安定位置（安定形状）を維持するので、作動後の弛緩により位置変化が少なく、作動位置の再現性が高い。
さらに、各能動セグメントの作動を制御することにより、切り替えの時間、電力消費、または他の基準に対応して各位置間の切り替えをより効率的に実行できる。また、構造体の安定位置（安定形状、安定状態）を維持したままで相対的な作動をさせることもできる。
従って、作動位置を維持するための電力消費が不要であり、外部アクチュエータは不要であり、構造体の形状と形式の制限が少なく、ある位置から他の位置に作動する経路が制限されない。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。

本発明の多位置安定型作動構造体は、２以上の安定位置を有し、かつ電気的刺激により複数の安定位置間の切替作動が可能な作動構造体であり、屈曲エレメントを備える。本発明の多位置安定型作動構造体を以下、単に「アクチュエータ」又は「作動構造体」と呼ぶ。

本発明の多位置安定型作動構造体（アクチュエータ）は１点または複数の点において機械的に拘束される。拘束点は、例えば、支持点又はフレームであり、作動時の変位の基準点として機能する。
作動構造体は、２以上のセグメントからなり、電気的刺激により屈曲する能動材料（例えばＩＰＭＣまたはＳＭＡなど）で構成されている。能動材料で構成されたセグメントを「能動セグメント」、電気的刺激により屈曲しない受動材料で構成されたセグメントを「受動セグメント」と呼ぶ。
作動構造体は、各セグメントの境界においてほぼ連続する。各セグメント間の境界は、隣接するセグメントが必要に応じて別々に作動するようになっている。受動材料は可撓性でも剛体でもよい。
能動セグメントの材料は、例えばゲル状高分子のようなほぼ均一な材料であり、その表面に溶着、注入、または接着された薄い電極材料を有する。
１つ以上の能動セグメントを電気的に刺激することにより、本発明の作動構造体は変形し屈曲する。制御された電気信号による適切な刺激により、作動構造体はある安定位置から他の安定位置に切り替えられて変形する。電気的刺激を除去した時、作動構造体は刺激を付加したときの最後の安定位置を維持する。

本発明は、一部または全体が屈曲エレメントからなる多位置安定型作動構造体（アクチュエータ）を提供する。屈曲エレメントは２以上の安定形状の間をほぼ自由に移動する。制御された電気的刺激による屈曲エレメントの作動は、ある安定位置の構造体を部分的に変形する。さらに制御された作動により、作動構造体を他の安定位置に切り替える。すべての電気的刺激を除去した時、作動構造体は刺激停止時の最後の安定位置を維持する。典型的には、作動構造体は１つ以上の点で機械的に拘束される。この機械的拘束は、例えば、１点でも、作動構造体に内部応力を生じるように２点以上でもよい。

この形式の多位置安定型作動構造体に適した電気的に作動する能動材料の例として、イオン導電性高分子金属複合体（ＩＰＭＣ）および形状記憶合金（ＳＭＡ）があるが、構成材料は上記のみに限定されない。

本発明は、既存の屈曲作動材料が直面する多くの問題点を解決に導く作動構造体および制御メカニズムを提供するものである。これらの問題点は、作動後の弛緩、作動の再現性、および電力消費を含む。本発明は、自然に最も近い安定位置に移動する作動構造体を提供し、これにより作動後の弛緩を発生させない機能を有する「位置切り替えメカニズム」を提供する。本発明はまた、通電停止時の安定位置に対応する所定の基準形状を維持する多位置安定型作動構造体を提供する。作動の再現性は、複数の安定位置間において切り替えを行うことにより達成される。

適切に制御された作動を達成するために、本発明は２以上の部分に分割された作動構造体を提供する。分割された個々の部分は、能動セグメント又は受動セグメントのいずれでもよい。少なくとも１つの部分は電気的刺激により屈曲する能動セグメント（以下、「電気的能動屈曲材料」と呼ぶ）からなる。受動セグメントは、可撓性材料でも剛体でもよい。

本発明の作動構造体の具体的形状および安定位置の具体的数は、構成材料、構成セグメントと機械的取付箇所、形状、および位置の変更により、製造工程において特定される。

（第１実施形態）
図１は、本発明の多位置安定型作動構造体の第１実施形態図である。
本発明の多位置安定型作動構造体１は、一部が機械的に拘束され、２以上の安定形状を有し、その間を実質的に自由に変形可能な屈曲エレメント２を備える。屈曲エレメント２は、互いに連結された２以上のセグメント５２，５３，５４からなる。この連結は、全体としての一体性を保持できるように剛に連結される。またセグメントのうち少なくとも１つは電気的刺激により屈曲する能動セグメントで構成される。
本発明の多位置安定型作動構造体１は、さらに、能動セグメントに電気的刺激を印加する制御装置３を備える。この制御装置３により、能動セグメントを電気的に刺激して屈曲エレメント２をある安定形状から他の安定形状に移動させるようになっている。
なお、以下の実施形態では、制御装置３の記載を省略する。

この例において本発明のアクチュエータ１（作動構造体）は、電気的に独立した２以上の部分で構成され、そのうち少なくとも１つは電気的能動屈曲材料（能動セグメント）である。その他の点では、図２５Ａおよび図２５Ｂに示した作動構造体に類似する最も単純な形態である。
図１のアクチュエータ１（作動構造体）は、セグメント５２、５３、５４からなり、セグメントの境界５５と５６で分離された３セグメントの座屈ビームを示す。なお５１ａ、５１ｂは軸方向の圧縮力である。

またこの例において、３つのセグメント５２、５３、５４は全て同一の電気的能動屈曲材料（能動セグメント）で構成されている。連続構造体１は座屈状態のビーム（「座屈ビーム」と呼ぶ）であり、従って２つの安定位置（安定形状、安定状態）を有する。適切に制御した方法で、能動セグメントを電気的に刺激することにより作動構造体はある位置（安定形状）から他の位置（安定形状）に切り替わる。
この図においてセグメントの境界５５と５６は一方の固定点からＬ／４および３Ｌ／４の位置にある。ここでＬは２つの固定点間の距離である。これらの点は、作動構造体内の最小曲げモーメントの点と一致し、作動構造体が各々の安定位置にある場合に各セグメント内が同一の符合の曲率を維持するように計画される。

図２、図３、および図４は、能動セグメントと受動セグメントの組合わせからなる本発明の第２，３，４実施形態図を示す。

（第２実施形態）
図２は、分割された２つのセグメント６２，６３からなり、その一方は能動セグメント６２、他方は可撓性の受動セグメント６３であり、作動構造体１に沿って端部からＬ／２の位置にセグメントの境界６４を有する座屈したビームを示す。なお６１ａ、６１ｂは軸方向の圧縮力である。
この作動構造体１の作動は、使用する材料により効率が低い場合がある。なぜなら、能動セグメント６２の内部において正と負の両方の曲率を示す領域が存在するからである。

（第３実施形態）
図３は、３つのセグメントで構成される座屈ビーム１を示す。その１つは能動セグメント７５で構成され、他の２つは可撓性の受動セグメント７４および７６で構成される。なお７１ａ、７１ｂは軸方向の圧縮力、７２、７３はセグメントの境界である。
この場合、セグメント７５のみを作動することにより、座屈ビーム１をある安定位置から他の安定位置に切り替えられる。

（第４実施形態）
図４Ａは、３つのセグメント８２，８３，８４で構成され、その２つは能動セグメント８３および８４であり、他の１つは剛体の受動セグメント８２である座屈ビーム１を示す。なお８１ａ、８１ｂは軸方向の圧縮力である。
能動セグメント８３および８４の作動を制御することにより、作動構造体１は図４Ｂ、図４Ｃ，図４Ｄに示すいずれかの安定位置と他の３位置の安定位置との間において自由に切り替えることができる。各安定位置は、ポテンシャルエネルギーが低く、従ってより安定な安定位置（安定形状、安定状態）である。

本発明は、作動構造体の寸法と材料の選択、および制御機構による応用に適合する多位置安定型作動構造体を提供する。本発明は、選択された作動構造体の自然な座屈形状を解析することにより、作動構造体をある位置から他の位置に切り替えるのに効率的なメカニズムを提供する。

（第５実施形態）
図５は、軸方向に圧縮されたビームに生じる３つの座屈形状９２，９３，９４を示す。なお９１ａ、９１ｂは軸方向の圧縮力である。
座屈形状９２，９３，９４の形状は、自然な低ポテンシャルエネルギーのモード１、モード３、モード２の形状を示す。これらの形状の解析により適切なセグメントの境界を設定し、作動構造体を構成するセグメント数を定義する。本発明は、現在位置と切り替える目標位置を、自然座屈モード形状の１つである中間形状を介して定義する。セグメントの境界は、作動構造体が安定位置または中間形状にある時に内部曲げモーメントがゼロの点に一致するように設定する。これらの点は、変形形状の２回微分がゼロである点を見つけることで算出できる。

例えば、モード１の座屈形状９２に対応する曲げモーメントがゼロの点は、一端からＬ／４および３Ｌ／４の位置である。Ｌは固定点間の距離を示す。一方、モード２の座屈形状９４に対応する曲げモーメントがゼロの点は０．１５Ｌ、０．５０Ｌ、０．８５Ｌの位置において発生する。ここでＬは固定点間の距離である。

モード２の座屈形状９４に対応する曲げモーメントがゼロの点は約０．１５Ｌ、０．５０Ｌおよび０．８５Ｌである。従って、この場合、座屈ビームは６つのセグメントで構成され、Ｌ／４、３Ｌ／４、０．１５Ｌ、０．５０Ｌ、０．８５Ｌに対応する各位置に５つのセグメント境界を有する。
図６はかかる構造を示す。適切に制御された電気的刺激により、作動構造体１はモード１の座屈形状１０２から座屈モード２に相当する中間形状１０４を介して反対側のモード１の座屈形状１０３に変化する。なお１０１ａ、１０１ｂは軸方向の圧縮力である。

（第６実施形態）
更に本発明は、多位置安定型作動構造体の計画および設計に必要な手段を提供する。作動構造体に沿って選択された点は、作動中および位置切り替え中において直線経路に拘束される。
図７はかかる作動構造体１を示す。本発明の作動構造体１（この例では、座屈ビームアクチュエータ）は、モード１の座屈形状１１２から中間モード３の座屈形状１１３を介して反対側のモード１の座屈形状１１４まで作動する。なお１１１ａ、１１１ｂは軸方向の圧縮力である。
座屈形状１１２の中央部の運動は、垂直軸方向に拘束される。この場合、作動構造体１の分割は、モード１の座屈形状１１２とモード３の座屈形状１１３の両方において、曲げ応力がゼロの点を検出し、これらの点を分離境界として決定する。これにより７セグメントの作動構造体１が得られる。

本発明は、個々のセグメントを独立に作動する電圧（または電流）の制御により、作動構造体が他の安定位置（安定形状、安定状態）に移動することなく１つの安定形状のままその一部が移動する多位置安定型作動構造体を提供する。
本発明は、時間、空間（スペース）、エネルギー効率または制御装置の複雑性、などの拘束要因に対応して作動が最適化されたものを提供する。安定形状およびより高次の座屈モードの解析が、最適作動の算出のために行われる。

（第７実施形態）
図８は、多重セグメント構成の座屈ビームアクチュエータを示す。この例で本発明の作動構造体１は座屈ビームアクチュエータであり、このアクチュエータ１は、制御された方法で作動した場合、ほぼ垂直軸に沿って移動し、座屈形状１２３の安定位置（安定形状、安定状態）を変化させずに座屈形状１２２および１２４の形状に変化する。かかる作動は、外部の構造体または装置に制御された力（例えば押し圧）を付与するのに用いることができる。

（第８実施形態）
図９は、マークした中心点１３２を有する多重セグメント構成の座屈ビームアクチュエータを示す。このアクチュエータ１は、制御された方法で作動した場合、形状１３４から形状１３３、１３５、１３６に変形し、中心点１３２はほぼ円形の経路１３７を移動する。かかる回転運動は、撓曲した２位置作動構造体から発生する。もし作動構造体の中心がオフセットした位置で別のシャフトに取り付けられている場合には、作動構造体の運動はシャフトに回転運動を生じさせることになる。もし作動構造体の中心が何等かの物体に接触すれば、この物体に横向きの力が作用し、これにより作動構造体は簡単なコンベアー装置となる。大型のコンベアー装置はこの方法で制御され複数の座屈ビームアクチュエータで構成できる。

（第９実施形態）
図１０は、分割された２重安定屈曲アクチュエータ２２１の両端が固定され、作動構造体の中心から延びた付加エレメント２２２を持ち、付加エレメント２２２は作動構造体と共にほぼ自由に移動する形態の本発明の実施例を示す。
この図は、作動構造体１がある位置から他の位置になり次にバックするように作動する８つのステージを示す。これにより、付加エレメント２２２の運動はパワーストローク２２４とリカバリーストローク２２３からなる大円形の経路を追従する。適切なセグメント分割により、この作動構造体１は単一制御信号を使用するだけで周期的２ストローク運動を発生する。この作動構造体１は、あるバクテリアの繊毛（ｃｉｌｉａ）と同様の運動を発生する。この作動構造体１は、例えば水泳ロボットの運動構造体として用いることができる。

（第１０実施形態）
図１１Ａと図１１Ｂは、触覚表示エレメント形態の本発明の実施例を示す。２位置安定座屈ビームアクチュエータ１６１は、本体１６２の内部に固定される。プランジャーエレメント１６３は、本体１６２内の溝内に取り付けられ、垂直方向の運動に拘束される。図１１Ａは、上昇した安定位置１６１にある本発明の２重安定アクチュエータ１を示す。
この構成によりプランジャーエレメント１６３は溝内を上昇し、本体１６２の表面から突出する。この突出は、単一の触覚表示レメントをＯＮ位置に設定し、このＯＮ位置は例えば指圧で検出できる。図１１Ｂは、下降位置１６４にある２重安定アクチュエータ１を示す。この下降によりプランジャーエレメント１６３は溝の下に引き込まれ、触覚表示レメントはＯＦＦ位置に位置する。

本発明は、中間形状のゼロ応力解析から導かれる別の分割手段を提供する。中間形状、すなわち作動経路は作動に適合させることができる。例えば、最速の作動経路、または最小限の作動エネルギーを必要とする経路、または複雑性を最小限度に抑制した電気的制御装置を必要とする経路および分割略図を使用できる。
本発明は、分割された座屈ビーム構成のアクチュエータに限定されるものでなく、また限定的ではないが、多位置安定型ダイヤフラム、多位置安定型板を含むより複雑なセグメント構成の作動構造体、ビーム、板、およびダイヤフラムの組み合わせを含む。

（第１１実施形態）
図１２は、２位置安定型ビームを２位置安定型ダイヤフラム状作動構造体に拡張したものを示す。この作動構造体４１（本発明の作動構造体１）は、点４２が固定されその他の部分は自由に変形できる。点４２の固定点が作動構造体４１の凸面上に位置する図示の形状と、作動構造体４１が下方に反転して、点４２が作動構造体４２の反転した凹面上に位置する反対形状の間を切り替えるように作動する。このような３次元多位置安定型作動構造体４１は、例えば触覚出力装置または点字表示装置などに使用できる。

（第１２実施形態）
図１３Ａは、円形開口部１４３に装着され４点において搭載板１４２に固定されたクロス形状の３次元２位置安定型作動構造体１４１の平面図を示す。図１３Ｂは、同じ３次元作動構造体を中央部１４５が上向きに盛り上がっている状態を３次元で示す。適切に制御された電気的刺激により、作動構造体１４１を開口部を通して移動し反対の安定形状に切り替えることができる。

（第１３実施形態）
図１４Ａおよび図１４Ｂは、板１５３の円形開口部１５４に取り付けられた連続表面形態１５１の２位置安定型作動構造体１の３次元図を示す。図１４Ａは、上方向に向いた中央点１５２を持った安定位置の作動構造体１を示し、図１４Ｂは、作動切り替え後に中央点１５２が下方に向いた安定位置の作動構造体１を示している。

（第１４実施形態）
図１５に示すように、本発明は電気的リレー形態の実施例を提供する。この実施例では、２位置安定作動構造体１は、座屈ビーム１６２で構成され、その中央位置に導電性コンタクト部材１６３が固定されている。作動により作動構造体１は安定位置１６２と他の安定位置１６４の間で切り替わる。作動構造体１が安定位置１６２にある時は、電源１６７と負荷１６６で構成される電気回路は開放位置にある。作動構造体１が安定位置１６４にある時は、電流が電気回路に流れるように導電部材１６３は複数の接点１６５の間を短絡させる。作動用の入力は、位置を変更するためにのみ必要とされる。

（第１５実施形態）
本発明は、２位置安定突起部材の表面を再構築する形態の実施例を提供する。図１６Ａおよび図１６Ｂは、表面を再構築可能な分類装置として用いる作動構造体１を示す。図１３または図１４に示す形状のような、ドーム状２位置安定型突起部材１７３、１７４の配列が、板１７９またはその内部に取り付けられる。
２位置安定型作動構造体は、２つの安定位置相互間を切り替えることができる。そのうちの１つの安定位置１７３は板１７９の表面から上方に突出した作動構造体１に対応し、他の１つの安定位置１７４は板１７９の表面とほぼ同一平面上にあるかまたは板１７９の表面から下方に延びた作動構造体１に対応する。図１６Ａは、物体１７１が落下し、板１７９の表面に沿って物体を移動できるように、または作動した２位置安定型作動構造体が物体を強制的に箱１７８に案内するように構成された作動構造体の配列を示す。図１６Ｂは物体１７２が箱１７７に流れるように再構築された同一の作動構造体配列を示す。

（第１６実施形態）
本発明はラミネート材の膨張形態の実施例を提供する。図１７Ａおよび図１７Ｂは、２枚の外部表面１８１、１８２を有し、その間に２位置安定アクチュエータの配列からなる１枚以上の小片またはシートをサンドウイッチしたラミネート作動構造体１の側面図を示す。
図１７Ａは、ラミネート作動構造体１が作動し、最小限の空間（スペース）を充たす形態１８３に変化した状態を示す。図１７Ｂは、同じ作動構造体１が作動され最大限の空間（スペース）を充たす形態１８４に変化した状態を示す。
従って、このラミネート材は能動パッキング、調整可能ダンピング、空間（スペース）充填用途などの広範囲の応用に好適である。なお、適用対象はこれらに限定されるものではない。

本発明は、検出装置として利用できるセグメント化された多位置安定型作動構造体１を提供する。例えば、ＩＰＭＣなどの材料は、電気的刺激で屈曲する特性に加えて、変位位置を検出できる検出特性を有する。従って、少なくともこのような検出特性を有する材料の多位置安定型作動構造体１は、アクチュエータとセンサの両方の機能で使用できる。
従って、作動構造体１をアクチュエータとして作動させ、続いてセンサ機能により、作動構造体自体の実際の位置を検出できる。
応用例の１つは点字シートであり、２位置安定型作動構造体によりシート面に切り替え可能な点字状突起部を形成する。点字の読者の指先が点字シートの突起状記述に沿って移動するのを作動構造体１により検出できる。更に、点字の読者は点字シートの突起状の記述を指爪で押し戻すことにより選択的に記述内容を消去できる。

（第１７実施形態）
図１８Ａは、触覚センサとして構成された３セグメント構成の２位置安定作動構造体１を示す。作動構造体１に作用する付勢力１９８は、セグメント１９２、１９３、１９４の１つ以上を屈曲させて電気信号を発生し、電気信号は計測メーター１９５、１９６、１９７に表示される。センサ信号を解析することにより付勢力の大きさと方向が決定される。
触覚センサ配列において、屈曲アクチュエータを変形可能なスポンジまたは発泡材料と結合させれば屈曲アクチュエータはより効果的となる。図１８Ｂは、図１８Ａと同一の３セグメント構成の２位置安定型作動構造体１を示すが、内部には発泡材またはスポンジが設けられ、材料１９９が構造体上部に、また材料１９０が構造体下部に設けられる。この作動構造体１は、例えばロボットの人工皮膚として用いることができる。

（第１８実施形態）
図１９は、本発明の別の実施例である２位置安定型屈曲アクチュエータ１９６の側面図を示す。このアクチュエータ１９６は開口部１９３を介して液体１９２を噴射する付勢構造体を形成する。
図１９Ａは、穴１９５を介して液体を導入し、弁１９４を介してチャンバー内部に注入している位置の２位置安定作動構造体１９６を示す。
図１９Ｂは、開口部１９３を介して液体１９８の小滴を強制的に排泄する位置の２位置安定作動構造体１９９を示す。
切り替えが異なる方向に行われる場合には、アクチュエータ１９６の位置切り替え経路が異なることに注意する必要がある。従って、この装置は、液体を排出する場合には最大出力を発生し、かつ液体を導入する場合には、効率的な真空ポンプ動作を行うようにすることができる。

多位置安定型作動構造体の作動は、駆動力または制御信号に対する変位のグラフで特徴付けられる。
図２０Ａは、図１に示した典型的な２重安定ビームアクチュエータ１の駆動電圧Ｖに対する垂直変位Ｄの予想図である。この作動図は、完全なヒステリシスサイクルをなす明らかに相違する２つの特性２１１と２１２を示す。
図２０Ｂは、図１に示した座屈ビームアクチュエータとして構成された３セグメント構成の２重安定アクチュエータから得られた実験データを示す。参照番号２１３は２重安定アクチュエータのヒステリシス形状を示している。

図２１Ａおよび図２１Ｂは、更に図１に示した３セグメントの２重安定屈曲アクチュエータから得られた実験データを示す。
図２１Ａは、時間Ｔに対する駆動電圧Ｖの変化２２１を示し、図２１Ｂは、時間軸Ｔに対する作動変位Ｄの変化２２２を示している。図１に示した２重安定アクチュエータの切り替え特性は、２２３および２２４で明確に示されている。

上述した本発明の構成によれば、多位置安定型作動構造体が、能動材料で構成された少なくとも１つの能動セグメントを有するので、能動セグメント電気的刺激により屈曲する少なくとも１つの能動セグメントを有するので、能動セグメントを電気的に刺激して屈曲エレメントをある安定形状から他の安定形状に移動させることにより、外部アクチュエータを必要とせずに多位置安定型作動構造体をある安定位置（安定形状、安定状態）から他の安定位置（安定形状、安定状態）に切り替えることができ、正確な作動が可能である。
また、電気的刺激を除去した時にも、多位置安定型作動構造体は最後の安定位置（安定形状）を維持するので、作動後の弛緩により位置変化が少なく、作動位置の再現性が高い。
さらに、各能動セグメントの作動を制御することにより、切り替えの時間、電力消費、または他の基準に対応して各位置間の切り替えをより効率的に実行できる。また、構造体の安定位置（安定形状、安定状態）を維持したままで相対的な作動をさせることもできる。
従って、作動位置を維持するための電力消費が不要であり、外部アクチュエータは不要であり、構造体の形状と形式の制限が少なく、ある位置から他の位置に作動する経路が制限されない。

なお本発明の潜在的な用途は、上述した点字表示、負荷指示装置、触覚センサ、分類装置、およびダンピングエレメント、等を含むが、本発明はこれらに限定されない。
本発明の権利範囲は、上述した明細書に詳述した内容よりも広範囲に及ぶものであり、従って、本発明の権利範囲は特許請求範囲により決定されるべきである。

３つの能動セグメントからなる分離型ビーム作動構造体の模式図である。 能動屈曲材料と可撓性受動材料の２つのセグメントで構成された分離型ビーム作動構造体の模式図である。 １つの能動屈曲材料と、２つの可撓性受動材料の３つのセグメントで構成された分離型ビーム作動構造体の模式図である。 ２つの能動屈曲材料と１つの剛性材料で構成され、各々が多位置安定形状を示す３セグメントの分離型ビーム作動構造体の模式図である。 両端が固定されたビームの座屈位置にある３つの座屈形状を示す模式図である。 第１座屈モードに基づく２つの安定位置と第２座屈モードに対応する中間形状の模式図である。 第１座屈モードに基づく２つの安定位置と第３座屈モードに対応する中間形状を示す模式図である。 １つの安定位置周辺において発生する作動が作動構造体自体の局部的垂直運動を発生している現象を示す座屈ビームの模式図である。 １つの安定位置周辺において発生する作動が作動構造体中心点において作動構造体自身の局部的回転運動を発生している現象を示す座屈ビームの模式図である。 作動構造体の中心に取り付けられた追加エレメントを有する２位置安定型座屈ビーム作動構造体の作動説明図である。 触覚表示レメントの一部をなす本発明の１実施例を示す図である。 １つ以上の安定形状に作動できるダイヤフラムタイプ作動構造体の３次元斜視図である。 分離されたクロス形状の２位置安定型３次元作動構造体の２次元および３次元概略図である。 ２位置の安定位置を示す点字表示などに適用される２位置安定型ダイヤフラムの３次元概略図である。 電気的リレー装置の２次元概略図である。 ２位置安定型作動構造体が内蔵された作動構造体表面の概略図で、落下物体を回収装置に収納できるような２位置安定型作動構造体の２つの形態を示す。 膨張性パッキング材料または空間（スペース）充填薄層材料の概略図で、圧縮後および拡張後の各材料の２位置位置を示す。 触覚センサエレメントとして構成された３セグメント組成作動構造体の概略図と、内部に変形可能スポンジまたは発泡材料を装填したセンサ作動構造体を示す。 付勢手段として１つの２位置安定型屈曲アクチュエータを応用した液体排出装置の概略図。 電圧印加の刺激に起因する３セグメント構成の２位置屈曲作動構造体の変位を示す図である。 電圧印加により３セグメント構成の２位置安定型屈曲作動構造体が変位する位置を時系列で示す図である。 電気的刺激下にある先行技術の屈曲アクチュエータエレメントの模式図である。 軸方向に圧縮され２つの安定形状のうちの１つに座屈する位置を示す先行技術のビーム作動構造体の模式図である。 異なる端部条件において異なる座屈形状に変形した例を示す先行技術のビーム作動構造体の模式図である。 非特許文献１のアクチュエータの構成図である。 非特許文献２のアクチュエータの構成図である。 特許文献４の「多位置安定型作動構造体」の構成図である

符号の説明

１ 多位置安定型作動構造体（作動構造体、アクチュエータ）、
２ 屈曲エレメント、３ 制御装置

Claims (3)

1. 一部が機械的に拘束され、２以上の安定形状を有し、その間を実質的に自由に変形可能な屈曲エレメントを備え、
   該屈曲エレメントは、互いに連結された２以上のセグメントからなり、
   該セグメントのうち少なくとも１つは電気的刺激により屈曲する能動セグメントであり、
   さらに、前記能動セグメントに電気的刺激を印加する制御装置を備え、
   該制御装置により、能動セグメントを電気的に刺激して屈曲エレメントをある安定形状から他の安定形状に移動させる、ことを特徴とする多位置安定型作動構造体。
2. 一部が機械的に拘束され、２以上の安定形状を有し、その間を実質的に自由に変形可能な屈曲エレメントを備え、
   該屈曲エレメントは、互いに連結された２以上のセグメントからなり、
   該セグメントのうち少なくとも１つは電気的刺激により屈曲する能動セグメントであり、
   さらに、前記能動セグメントに電気的刺激を印加する制御装置を備えた多位置安定型作動構造体の制御方法であって、
   １つの安定位置から他の安定位置に移動するように、前記能動セグメントに所定の順序で電気的刺激を印加する、ことを特徴とする多位置安定型作動構造体の制御方法。
3. 一部が機械的に拘束され、２以上の安定形状を有し、その間を実質的に自由に変形可能な屈曲エレメントを備え、
   該屈曲エレメントは、互いに連結された２以上のセグメントからなり、
   該セグメントのうち少なくとも１つは電気的刺激により屈曲する能動セグメントであり、
   さらに、前記能動セグメントに電気的刺激を印加する制御装置を備えた多位置安定型作動構造体の計画方法であって、
   ２以上のセグメントの境界位置を、前記２以上の安定形状において曲げ応力が最小となる位置に設定する、ことを特徴とする多位置安定型作動構造体の計画方法。

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