JP2015030056A - 曲げ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動信号に対して良好な応答性を有し、棒状体の先端部を任意の３次元位置に移動させることができる曲げ機構を提供する。
【解決手段】曲げ機構１０は、弾性体からなる棒状体１２を含む。棒状体１２の中心軸上の点の周囲における棒状体１２の外面に、３つ以上のユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃが配置される。ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは電歪材料と基材とを含み、棒状体１２の外面の長手方向の向きとユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの面の向きとが一致するように配置される。ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃに与える電圧を独立して制御することにより、屈曲するユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃによって棒状体１２に力が加わり、棒状体１２が屈曲して、その先端部を任意の３次元位置に配置する。
【選択図】図２

Description

この発明は、曲げ機構に関し、特にたとえば、棒状の物体の先端部の動きを３次元的に制御することができる曲げ機構に関する。

従来の棒状のマニピュレータにおいては、３次元の動きをさせることが難しかった。最近では、球面モータなども開発されているが、構造的に複雑なものになっている。一般的には、回転運動や旋回運動等を組み合わせて、棒状の先端部を３次元空間の任意位置に移動させる構成となっているが、自由度の分だけの数のアクチュエータが必要となり、かさばると同時に、アクチュエータ自体が重くなってしまい、使いにくくなってしまうという問題があった。

そこで、図７に示すように、長い可撓性の芯体１と、それぞれの所定の長さを記憶しているとともに、一端側を前記芯体の一端側に、他端側を前記芯体の他端側にそれぞれ固定された３本以上の線状の形状記憶合金２ａ，２ｂ，２ｃと、これらの形状記憶合金２ａ，２ｂ，２ｃをそれぞれ前記芯体１に沿って延びるように案内するガイド手段３と、各形状記憶合金２ａ，２ｂ，２ｃを加熱する手段とを有してなり、各形状記憶合金２ａ，２ｂ，２ｃが記憶している長さは、形状記憶合金２ａ，２ｂ，２ｃの全てが一定温度以下の状態で、芯体１が真直ぐな状態または任意の湾曲状態の中からあらかじめ選択されている所定の中立形状になった場合、形状記憶合金２ａ，２ｂ，２ｃのすべてが、芯体１に引っ張られることにより、記憶している長さに比し伸び変形を受けることとなる長さとされていることを特徴とする湾曲運動装置が開示されている。

この湾曲運動装置では、１つ以上の形状記憶合金に電流を流すことにより、ジュール熱の発生量にしたがってその形状記憶合金の記憶形状に戻ろうとする性質を利用して、芯体の先端部を任意の位置に移動させることができる（特許文献１参照）。

特公平６−１１４７５号公報

しかしながら、このような湾曲運動装置では、加熱によって形状記憶合金を変形させているため、形状記憶合金の昇温や冷却に時間がかかり、動作が遅い。また、形状記憶合金は、加熱することにより収縮するだけなので、ある形状記憶合金を収縮させるために、反対側に配置された形状記憶合金を伸ばすように変形させる必要があり、大きい駆動力が必要とされる。また、変形させようとしている形状記憶合金の反対側に配置された形状記憶合金が加熱されている場合、その形状記憶合金が冷却されるまでは、変形させようとする形状記憶合金の動きを邪魔する恐れがあるため、冷却するまで待たなければならない場合も考えられる。

それゆえに、この発明の主たる目的は、駆動信号に対して良好な応答性を有し、棒状体の先端部を任意の３次元位置に移動させることができる曲げ機構を提供することである。

この発明は、弾性体からなる棒状体と、棒状体の中心軸上の点の周囲における棒状体の外面に３つ以上配置されるアクチュエータとを含み、アクチュエータは電歪材料と可撓性を有する基材とを含み、棒状体の外面の長手方向の向きとアクチュエータの面の向きとが一致するように配置され、アクチュエータは、電圧を印加することにより棒状体方向に屈曲するように設計されるとともに、３つ以上のアクチュエータは、独立して制御されることを特徴とする、曲げ機構である。
電歪材料は、電圧が加わると面方向に広がるように変形する。アクチュエータは、電歪材料と基材とからなるため、電歪材料が広がると、可撓性を有する基材の中央部が凹むようにして電歪材料側から基材側に向かって屈曲する。それにともなって、アクチュエータが配置された部分において棒状体が屈曲する。棒状体の中心軸上の周囲における外面に３つ以上のアクチュエータが配置されていることにより、各アクチュエータの屈曲度を調整することにより、各アクチュエータから棒状体に加わる力を合成して、棒状体の先端部を任意の３次元位置に移動させることができる。
また、２つのアクチュエータが互いに９０°の角度をもって棒状体に配置されている場合、一方のアクチュエータのみを駆動した場合、他方のアクチュエータの面と直交する向きに力が加わるため、棒状体に力が加わらず、棒状体を屈曲させることができない。しかしながら、３つ以上のアクチュエータを用いることにより、他のアクチュエータによる力を邪魔するような配置を避けることができる。
また、アクチュエータが棒状体方向に屈曲することにより、アクチュエータを駆動することによって、棒状体に力を加えることができ、棒状体を屈曲させることができる。しかも、アクチュエータに電歪材料が用いられているため、電圧を印加することによる電界駆動により、駆動信号に対する応答性を良好にしながら、アクチュエータを動作させることができる。したがって、駆動信号に対して良好な応答性を有しながら、棒状体の先端部を任意の３次元位置に配置することができる。
さらに、３つ以上のアクチュエータを独立して制御することにより、各アクチュエータから棒状体に異なる力を与えることができ、これらの力を合成することにより、棒状部の先端部の動きを自由に制御することきができる。

このような曲げ機構において、電歪材料は積層体からなることが好ましい。
電歪材料は、電圧を印加することにより面方向に広がるように変形するが、積層体とすることにより、各層における変形が重なって、棒状体に加わる力を大きくすることができる。

この発明によれば、３つ以上のアクチュエータに電圧を加えるだけで、駆動信号に対して良好な応答性を有しながら、棒状体の先端部の動きを制御することができる。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための形態の説明から一層明らかとなろう。

図１は、この発明の曲げ機構の一例を示す図解図である。 図２は、図１に示す曲げ機構の上面図である。 図３は、この発明の曲げ機構に用いられるユニモルフアクチュエータの一例を示す図解図である。 図４は、多層のユニモルフアクチュエータを得るための電歪フィルムと導電層との関係を示す図解図である。 図５は、図４に示す電歪フィルムを巻回した状態を示す図解図である。 図６（ａ）ないし図６（ｉ）は、各ユニモルフアクチュエータに電圧を印加したときの棒状体の動きを示す図解図である。 従来の曲げ機構の一例を示す図解図である。

図１は、この発明の曲げ機構の一例を示す図解図である。曲げ機構１０は、棒状体１２を含む。棒状体１２は、例えば、数１００ｋＰａのヤング率を有する材料を用いて、自立可能な円柱状に形成される。このような棒状体１２の例としては、例えば、０．３ＧＰａ程度のヤング率を有する弾性シリコーンを蓮根のような中空状に形成することにより形成することができる。

棒状体１２の中心軸上の点の周囲、この例では、棒状体１２の一方端側には、図２に示すように、３つ以上のユニモルフアクチュエータ１４が配置される。ユニモルフアクチュエータ１４としては、例えば電圧の印加による電界駆動で動作するものが用いられ、電界を印加することにより、一方側に向かって屈曲するように動作するものが用いられる。この実施形態においては、３つのユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃが、棒状体１２の周囲に配置されている。これらのユニモルフアクチュータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、棒状体１２の中心軸部に対して、互いに１２０°の角度をもって配置されている。また、３つのユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、棒状体１２の一方端側から棒状体１２の長さの約１／３程度の部分までを覆うように形成される。

このようなユニモルフアクチュエータ１４の例としては、例えば、図３に示すように、屈曲可能な基材１６と電歪素子１８とで構成したものを使用することができる。電歪素子１８は、例えば、電歪材料で形成された電歪フィルム２０を含み、電歪フィルム２０の両主面に導電層２２が形成されたものである。したがって、２つの導電層間に電圧を印加することにより、電歪フィルム２０の厚み方向に電界を印加することができる。電歪材料は、その厚み方向に電界を印加することにより変形するものである。ここでは、例えば、電歪フィルム２０の厚み方向に電界を印加することにより、面方向に広がるように変形する電歪フィルム２０が用いられる。ここで用いられる電歪フィルム２０は、電界の向きに関係なく、広がるように変形するものが用いられる。また、印加される電界の大きさによって、変形量が異なる電歪フィルム２０が用いられる。

なお、ここで用いられる電歪材料の例としては、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）、ＰＶＤＦ系の共重合体、例えば、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのコポリマーや、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＤＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＡ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＶＣ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＶＦ）などのターポリマーが挙げられる。ここで、Ｐはポリを、ＶＤＦはビニリデンフルオライドを、ＴｒＦＥはトリフルオロエチレンを、ＣＦＥはクロロフルオロエチレンを、ＣＴＦＥはクロロトリフルオロエチレンを、ＣＤＦＥはクロロジフルオロエチレンを、ＨＦＡはヘキサフルオロアセトンを、ＨＦＰはヘキサフルオロプロピレンを、ＶＣはビニルクロライドを、ＶＦはビニルクロライドを意味する。なかでも、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）が、大きい歪みを得ることができるという点で特に好ましい。電歪材料層の厚さは、適宜設定することができるが、例えば数μｍ〜１００μｍとすることができる。

また、ユニモルフアクチュエータ１４として用いられる場合に、電歪フィルム２０に電界を印加するためにフィルムに塗布される導電インクとしては、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）、ＰＰｙ（プリピロール）、ＰＡＮＩ（ポリアニリン）などの有機導電性材料を使用することができる。

このような電歪素子１８が屈曲可能な基材１６に接着されることにより、ユニモルフアクチュエータ１４が形成される。この場合、電歪フィルム２０の両面に形成された導電層２２間に電圧が印加されることにより、電歪フィルム２０の面に直交するように電界が印加され、電歪フィルム２０が面方向に広がるように変形する。それに対して、基材１６は広がるように変形しないため、基材１６の中央部が凹むようにして、電歪素子１８側から基材１６側に向かって湾曲する。ここで、電歪フィルム２０に印加される電界によって、電歪フィルム２０の変形量が異なるため、導電層２２間に加えられる電圧を調整することによって、電歪素子１８の屈曲量を調整することができる。なお、屈曲可能であるが伸び縮みしない基材１６の材料としては、例えば、ＰＥＴ、ポリイミド、ポリプロピレンなどを用いることができる。

なお、電歪フィルム２０が１枚の電歪素子１８では、電歪フィルム２０の変形する力が小さいため、電歪素子１８の湾曲量が小さすぎて、棒状体１２を変形させるだけの力が得られない場合がある。このような場合、電歪素子１８を複数枚積層することにより、電歪フィルム２０の変形する力が合成されて、大きい力を得ることができる。そこで、図４に示すように、長方形状の電歪フィルム２０の一方主面に導電層２２を形成し、電歪フィルム２０の長手方向の一端側で導電層２２に接続された電極２４ａを有する電歪部材２６ａが準備される。さらに、長方形状の電歪フィルム２０の一方主面に導電層２２を形成し、電歪フィルム２０の長手方向の他端側で導電層２２に接続された電極２４ｂを有する電歪部材２６ｂが準備される。これらの電歪部材２６ａ，２６ｂが重ねられ、図５に示すように、２つの電極２４ａ，２４ｂが反対側に配置されるように、電歪部材２６ａ，２６ｂが巻回される。この状態で、電歪部材２６ａ，２６ｂの巻回物を押し潰し、熱圧着などで一体化することにより、複数の電歪素子１８が積層された多層電歪素子２８が形成される。

この多層電歪素子２８に用いられている電歪フィルム２０は、印加される電界の向きに関係なく、電界の印加によって面方向に広がる性質をもっているものである。したがって、２つの電極２４ａ，２４ｂ間に電圧を印加することにより、多層電歪素子２８の全体が面方向に広がるように変形し、基材１６方向に屈曲する力を大きくすることができる。もちろん、長尺状の電歪部材２６ａ，２６ｂを巻回することなく、個別の電歪部材を積層することにより、多層電歪素子を形成してもよい。

このようにして得られた多層電歪素子２８と基材１６とからなるユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃが、図１および図２に示すように、棒状体１２の一方端側の周囲に配置される。なお、棒状体１２とユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、ベースに取り付けられることができる。このとき、ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの基材１６側が棒状体１２の表面側となるように配置される。なお、棒状体１２とユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃとが共通のベースに取り付けられている場合、棒状体１２とユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの基材１６とは接触していればよく、接着される必要はない。

ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃには、図２に示すように、それぞれ、電源３０ａ，３０ｂ，３０ｃが接続される。これらの電源３０ａ，３０ｂ，３０ｃからユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃに電圧が与えられることにより、ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃによって、棒状体１２に向かって力が加えられる。それにより、棒状体１２は、ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの中の動作したものに押された向きに屈曲する。なお、動作していないユニモルフアクチュエータは、加えられた力に追従して変形するので、駆動されたユニモルフアクチュエータの動作が阻害されにくい。

たとえば、図６（ａ）に示すように、ユニモルフアクチュエータ１４ａが動作した場合、棒状体１２は、ユニモルフアクチュエータ１４ａの反対側に向かって屈曲する。また、図６（ｂ）に示すように、ユニモルフアクチュエータ１４ｂが動作した場合、棒状体１２は、ユニモルフアクチュエータ１４ｂの反対側に向かって屈曲する。さらに、図６（ｃ）に示すように、ユニモルフアクチュエータ１４ｃが動作した場合、棒状体１２は、ユニモルフアクチュエータ１４ｃの反対側に向かって屈曲する。

また、ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの中の複数のものが動作した場合、複数のユニモルフアクチュエータから棒状体１２に力が加わるため、棒状体１２はそれらの力が合成された向きに屈曲する。例えば、図６（ｄ）に示すように、ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂが動作した場合、これらのユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂによって与えられる力が合成された方向、すなわち動作していないユニモルフアクチュエータ１４ｃ側に向かって棒状体１２は屈曲する。また、図６（ｅ）に示すように、ユニモルフアクチュエータ１４ｂ，１４ｃが動作した場合、動作していないユニモルフアクチュエータ１４ａ側に向かって棒状体１２は屈曲する。さらに、図６（ｆ）に示すように、ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｃが動作した場合、動作していないユニモルフアクチュエータ１４ｂ側に向かって棒状体１２は屈曲する。

なお、図６（ｇ）に示すように、ユニモルフアクチュエータ１４ａを動作させる電圧がユニモルフアクチュエータ１４ｂを動作させる電圧より大きい場合、ユニモルフアクチュエータ１４ａから棒状体１２に与えられる力のほうが、ユニモルフアクチュータ１４ｂから棒状体１２に与えられる力より大きい。そのため、棒状体１２は、動作していないユニモルフアクチュエータ１４ｃ側よりユニモルフアクチュエータ１４ｂ側に片寄った向きに屈曲する。

同様に、図６（ｈ）に示すように、ユニモルフアクチュエータ１４ｂを動作させる電圧がユニモルフアクチュエータ１４ｃを動作させる電圧より大きい場合、棒状体１２は、動作していないユニモルフアクチュエータ１４ａ側よりユニモルフアクチュエータ１４ｃ側に片寄った向きに屈曲する。さらに、図６（ｉ）に示すように、ユニモルフアクチュエータ１４ｃを動作させる電圧がユニモルフアクチュエータ１４ａを動作させる電圧より大きい場合、棒状体１２は、動作していないユニモルフアクチュエータ１４ｂ側よりユニモルフアクチュエータ１４ａ側に片寄った向きに屈曲する。

このように、ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを独立して制御することにより、棒状体１２の屈曲方向を制御することができる。また、ユニモルフアクチュエータの数は３つに限らず、それ以上の数のユニモルフアクチュエータが用いられてもよい。多数のユニモルフアクチュエータを使用し、それぞれ独立して制御することによって、棒状体１２の屈曲方向をより精密に制御することができる。

なお、図１では、棒状体１２の長手方向の一方側にのみユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを配置しているが、棒状体１２の長手方向の中央部や他方側に配置してもよい。さらに、棒状体１２の長手方向の１箇所だけでなく、複数個所にユニモルフアクチュエータを配置してもよい。

このような曲げ機構１０は、例えば、犬などの動物系ロボットの尻尾や耳の動きを再現するのに用いることができる。この場合、ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃに与えられる電圧を制御することにより、駆動音が小さく、素早い動きを再現することができる。

なお、ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃとしては、ポリピロール、ポリアニリン、ＰＥＤＯＴなどの導電性高分子材料からなるソフトアクチュエータが用いられてもよい。

なお、ユニモルフアクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃに代えて、例えば、バイモルフアクチュエータを用いることもできる。バイモルフアクチュエータの場合、印加される電界の向きに応じて両面側に屈曲させることができるが、取り付けられた棒状体１２側にのみ屈曲するように制御することにより、上述のユニモルフアクチュエータで動作する曲げ機構と同様の動作をさせることができる。

弾性体からなる円柱状の棒状体を準備した。棒状体の長さは６０ｍｍであり、直径は６ｍｍである。また、電歪材料からなる電歪フィルムを準備した。電歪フィルムの厚みは、１０μｍである。電歪フィルムの両面に、ＰＥＤＯＴのインクを刷毛塗りすることにより、有機電極を形成した。なお、有機電極の作製は、電歪フィルムにマスキングをした状態でＰＥＤＯＴをスプレーによって塗装してもよいし、粘度の高いインクをスクリーン印刷してもよい。電歪フィルムにインクを塗布した後、８５℃で１０分乾燥した。

このようにして得られた電歪素子を熱圧着などの方法で２０層積層し、電歪部材を作製した。この電歪部材を基材である厚み２００μｍのＰＥＴフィルムに接着剤を用いて接着した。電歪部材と基材との接着は、例えば、エポキシ接着剤などを用いることができるが、両面テープなどを用いて固定してもよい。このようにして、電歪部材の厚み２００μｍ、基材であるＰＥＴフィルムの厚み２００μｍからなるユニモルフアクチュエータを作製した。

得られたユニモルフアクチュエータに８０ＭＶ／ｍの電界を印加すると、曲げ方向には、１９６〜３９２ｍＮの力が発生した。なお、ユニモルフアクチュエータの電極として、導電ペーストによって、リード線を取り付けた。リード線は、導電ペーストを用いて取り付けられ、８０℃で導電ペーストを硬化させた。

得られたユニモルフアクチュエータを、図２に示すように、棒状体の長手方向の一方端側において、棒状体の中心部に対して１２０°の間隔で配置し、曲げ機構を作製した。なお、棒状体の弾性率が数１０ｋＰａであれば、１９６〜３９２ｍＮの力で棒状体が屈曲することがわかっている。そこで、図４に示すようにユニモルフアクチュエータに電源を接続し、それぞれの電源を独立して制御することにより、あらゆる方向に棒状体を屈曲させることができた。

このように、電歪フィルムと導電層とからなる電歪素子を積層化することにより、ユニモルフアクチュエータが発生する力を大きくすることができる。また、電界駆動によってユニモルフアクチュエータを動作させることができるため、動作信号に対する応答速度を速くすることができる。また、ユニモルフアクチュエータは、不活性時には、外力に対して追従するように動くため、活性化して動作しているユニモルフアクチュエータの動作を阻害しにくい。

１０ 曲げ機構
１２ 棒状体
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ ユニモルフアクチュエータ
１６ 基材
１８ 電歪素子
２０ 電歪フィルム
２２ 導電層
２４ａ，２４ｂ 電極
２６ａ，２６ｂ 電歪部材
２８ 多層電歪素子

Claims (2)

1. 弾性体からなる棒状体、および
   前記棒状体の中心軸上の点の周囲における前記棒状体の外面に３つ以上配置されるアクチュエータを含み、
   前記アクチュエータは電歪材料と可撓性を有する基材とを含み、前記棒状体の外面の長手方向の向きと前記アクチュエータの面の向きとが一致するように配置され、
   前記アクチュエータは、電圧を印加することにより前記棒状体方向に屈曲するように設計されるとともに、
   前記３つ以上のアクチュエータは、独立して制御されることを特徴とする、曲げ機構。
2. 前記電歪材料は積層体からなることを特徴とする、請求項１に記載の曲げ機構。

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