WO2009084378A1 - 磁気力によるアクチュエータ及びそれを用いた駆動装置、並びにセンサ - Google Patents

磁気力によるアクチュエータ及びそれを用いた駆動装置、並びにセンサ Download PDF

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Keiichi Kaneto
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    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2002/5066—Muscles

Definitions

  • the present invention relates to an actuator using magnetic force, a drive device using the same, and a sensor using the same structure as the actuator, which can flexibly perform expansion / contraction, bending, twisting and the like.
  • IPMC actuators using ionic conductive polymers IPMC
  • SMA actuators using shape memory alloys SMA
  • soft actuators based on electrolytic expansion and contraction of conductive polymers etc.
  • the IPMC actuator when a voltage is applied to the ion conductive polymer containing the electrolyte, positive ions move to the negative electrode side in the polymer, and at the same time, a large amount of water with positive ions moves to the negative electrode side. As a result, the polymer swells on the negative electrode side where water gathers together with the positive ions, and conversely shrinks on the positive electrode side by the amount of water reduction. Since the polymer bends due to this swelling / shrinkage phenomenon, this is used as the power of the actuator.
  • the IPMC actuator can be driven with a relatively low drive voltage (about 1.5V), has fast response (less than 0.1 seconds), has high durability (can be bent more than 100,000 times), and can be easily downsized. There are advantages such as low power consumption and long-time driving. Therefore, much research and development is currently being conducted on IPMC actuators (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
  • the SMA actuator stores a specific shape in the material in advance in the shape memory alloy, and restores the shape stored in advance by heating above a certain temperature even when stress is applied at low temperature and deformation is applied. It is used as an actuator (see, for example, Patent Documents 4 and 5).
  • the SMA actuator has the advantages that the generated force is large and the structure of the high shrinkage structure is easy.
  • Soft actuators based on electro-conduction stretching of conductive polymers change the chemical structure and structure of the polymer by conducting an electrical redox reaction by passing electricity through the conductive polymer. Such movement is expressed (see Patent Documents 6-8).
  • This type of soft actuator has advantages such as easy shape retention, high power conversion efficiency, driving even at a low voltage of 1.5 V or less, easy miniaturization, and light weight.
  • the IPMC actuator uses an electrolyte
  • the electrolyte is likely to deteriorate and become unstable when used for a long period of time.
  • the swelling and shrinkage of the polymer is used as a driving force, the driving force is relatively small, accurate control is difficult, rapid stopping during driving is difficult, and it cannot be used in a dry environment. There are also problems.
  • the SMA actuator uses a thermal change such as heating and cooling of the shape memory alloy, there is a problem that the response of the shape memory alloy is low particularly during cooling. Moreover, since heat diffusion is accompanied, there is a problem that energy efficiency is low.
  • the soft actuator based on the electrolytic expansion and contraction of the conductive polymer has a larger generation force than the IPMC actuator, but uses an electrolyte, so that the electrolyte is likely to deteriorate and become unstable when used for a long time. There's a problem.
  • this since this also utilizes the structural change of the polymer, there are disadvantages that the response speed is slow and the energy conversion efficiency is low.
  • an object of the present invention is to maintain a stable operation over a long period of time while maintaining the characteristics of a conventional soft actuator that moves flexibly and quietly and powerfully like a muscle, and can generate a strong driving force.
  • An object of the present invention is to provide an actuator that has a quick response to an input, has a good sensitivity, has a high energy conversion efficiency, and can be controlled accurately, and a drive device using the actuator.
  • Another object of the present invention is to provide a sensor having the same structure as the actuator of the present invention and capable of detecting deformation due to an external force.
  • the first configuration of the present invention relating to the actuator is characterized in that a coil is embedded in a magnetic elastomer obtained by mixing a ferromagnetic material with an elastomer so that the coil can be energized.
  • a magnetic field is generated in and around the coil by energizing the coil. Since the coil is embedded in the magnetic elastomer, this magnetic field penetrates the magnetic elastomer.
  • a magnetic field is generated in the magnetic elastomer, a deformation force is exerted on the magnetic elastomer by a magnetic force acting on each part in the magnetic elastomer. Thereby, a driving force can be obtained.
  • the actuator moves flexibly and quietly like a muscle.
  • an electrolyte is not used, and no chemical reaction or molecular structural change is accompanied with the operation. Therefore, a stable operation can be maintained for a long time.
  • the magnetism generated in the coil by energization is used, so that the input response is fast and the sensitivity is good as in the normal motor.
  • accurate control is possible by controlling the current supplied to the coil.
  • Magnetic material refers to a material in which adjacent spins are aligned in the same direction and have a large magnetic moment as a whole, and have spontaneous magnetization even without an external magnetic field.
  • the “ferromagnetic material” include inorganic ferromagnetic materials such as iron, ferrite, Alinico, OP, MnBi, barium ferrite, supermalloy, alnico, samarium cobalt, neodymium iron boron, samarium iron nitrogen, and organic materials. Ferromagnetic materials can be used.
  • a ferromagnetic material when mixing a ferromagnetic material with an elastomer, it can mix as a powder form, a liquid form, or a colloid form.
  • “Elastomer” refers to a substance made of a polymer material such as rubber, plastic or resin, stretched with a low stress, and having an elasticity that returns to its original length as soon as the stress is released.
  • the “elastomer” for example, natural rubber, synthetic rubber, butyl rubber and the like can be used.
  • the second configuration of the present invention relating to the actuator is characterized in that a coil is embedded in a magnetic elastomer obtained by mixing a high magnetic permeability material with an elastomer so that the coil can be energized.
  • the driving force of the actuator can be obtained by the same action as in the case of the first configuration.
  • the “high permeability material” refers to a material having a high relative permeability, but it is preferable to use a material having a relative permeability of 10 or more.
  • the greater the relative permeability the greater the driving force of the actuator when the coil is energized.
  • the relative permeability needs to be 10 or more.
  • the “high permeability material” include iron, ferrite, soft ferrite, Alinico, OP, MnBi, barium ferrite, permalloy, supermalloy, silicon steel, sendust, permendur, amorphous magnetic alloy, nanocrystal magnetic alloy, etc.
  • Inorganic high-permeability materials and organic high-permeability materials can be used.
  • the high magnetic permeability material when it is mixed with the elastomer, it can be mixed in the form of powder, liquid or colloid.
  • the appropriate value of the relative magnetic permeability of the high magnetic permeability material is determined by the ratio with the Young's modulus of the elastomer, as will be described later.
  • the relative permeability of the high magnetic permeability material is ⁇ r and the Young's modulus of the elastomer is Y [Pa]
  • the third configuration of the present invention relating to the actuator is characterized in that, in the first or second configuration, the coil is a spiral coil in which a conducting wire is wound spirally.
  • This configuration makes it possible to create an expansion / contraction motion by the actuator.
  • the fourth configuration of the present invention relating to the actuator is characterized in that, in the first or second configuration, the coil is a zigzag coil obtained by bending a conductive wire in a zigzag manner.
  • This configuration makes it possible to create an expansion / contraction motion by the actuator.
  • zigzag coil refers to a coil having a shape in which a conductor is bent in a zigzag manner, and refers to a coil having the same shape as the “zigzag spring” defined in JIS B 0103.
  • the helical coil in which the conductive wire is wound spirally and the zigzag coil in which the conductive wire is bent in a zigzag manner are the magnetic It is embedded in an elastomer in parallel.
  • This configuration makes it possible to create a bending motion with the actuator.
  • the sixth configuration of the present invention relating to the actuator is characterized in that, in the first or second configuration, a plurality of coils that can be energized independently are embedded in series in the magnetic elastomer. .
  • This configuration makes it possible to create an expansion / contraction motion that alternately expands and contracts by the actuator.
  • a seventh configuration of the present invention relating to an actuator includes first and second torus coils formed by bending a spiral coil in which a conducting wire is spirally wound in an annular shape in the first or second configuration.
  • the first torus coil and the second torus coil are embedded in the magnetic elastomer in a state where their central axes are arranged so as to be orthogonal to each other.
  • This configuration makes it possible to create a twisting motion with the actuator.
  • the first configuration of the present invention relating to the drive device is characterized in that the actuator having any one of the first to seventh configurations or a plurality of these is used as a power source.
  • a first configuration of the present invention relating to a sensor includes a detector in which a coil is embedded in a magnetic elastomer obtained by mixing a ferromagnetic material with an elastomer, and a detecting means for detecting a voltage or a current generated in the coil. It is characterized by having.
  • This configuration makes it possible to detect the deformation of the detector.
  • a second configuration of the present invention relating to a sensor includes a detector in which a coil is embedded in a magnetic elastomer obtained by mixing a high permeability material with an elastomer, and a detecting means for detecting a voltage or current generated in the coil. It is characterized by having.
  • This configuration makes it possible to detect the deformation of the detector.
  • a coil is embedded in the magnetic elastomer, a magnetic field is formed in the magnetic elastomer by energizing the coil, and the magnetic elastomer is deformed by the magnetic force generated by the magnetic field.
  • the coil is embedded in the magnetic elastomer, and all the magnetic flux generated by the coil passes through the magnetic elastomer. Therefore, high energy conversion efficiency can be realized.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an actuator according to the first embodiment of the present invention.
  • the actuator 1 of the present embodiment has a configuration in which a spiral coil 3 in which a conducting wire is spirally wound is embedded in a magnetic elastomer 2 shaped into a cylindrical shape.
  • the magnetic elastomer 2 is formed by mixing and preparing a powdery ferromagnetic or high magnetic permeability material with an elastomer made of synthetic rubber, synthetic resin, plastic, or the like using a mixing roll or the like.
  • a normal conducting wire such as copper or aluminum is used.
  • both ends of the spiral coil 3 are drawn to the outside (not shown), and the spiral coil 3 can be energized from both ends.
  • the magnetic elastomer 2 in order to obtain a large shrinkage rate and expansion force, has a hollow cylindrical shape at the center.
  • the magnetic elastomer 2 may have a cylindrical shape in some cases.
  • the diameter of the helical coil 3 is D, and the helical pitch is r. Further, the relative permeability mu r of magnetic elastomer 2, the magnetic permeability of vacuum and mu 0.
  • the force F 0 acting on the two-turn partial coil as shown in FIG. 2 is expressed by the following equation (1). This force F 0 acts in the direction in which the coil contracts.
  • ⁇ n is a correction term for the multiple magnetic fields between the conducting wires by winding the conducting wires n times.
  • the coil length is 3 mm.
  • the current supplied to the spiral coil 3 is 1A. At this time, the contraction force generated in the spiral coil 3 is
  • the expansion / contraction rate of the actuator 1 will be considered.
  • the expansion / contraction rate is determined by the Young's modulus Y of the magnetic elastomer 2 and becomes hard when the Young's modulus is large. As the magnetic elastomer 2 is softer, an actuator that contracts more greatly is obtained.
  • the outer diameter of the magnetic elastomer 2 is 5.5 mm and the inner diameter is 4.5 mm.
  • the thickness of the helical coil 3 is ignored, so that the overall shrinkage rate is actually reduced by considering the thickness of the helical coil 3. Further, since the distance (pitch) between the coils is reduced by contraction, the contraction force further increases.
  • actuator 1 which can endure many practical use can be created.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the actuator 1 ′ according to the second embodiment of the present invention.
  • the actuator 1 ′ of this embodiment has a configuration in which a zigzag coil 4 in which a lead wire is bent in a zigzag manner is embedded in a magnetic elastomer 2 shaped into a flat cube.
  • the magnetic elastomer 2 is formed by mixing and preparing a powdery ferromagnetic or high magnetic permeability material in an elastomer made of synthetic rubber, synthetic resin, plastic or the like with a mixing roll, as in Example 1. .
  • zigzag coil 4 as in the first embodiment, a normal conducting wire such as copper or aluminum is used. Further, both ends of the zigzag coil 4 are drawn to the outside of the magnetic elastomer 2, and the zigzag coil 4 can be energized from both ends.
  • This actuator 1 is as follows.
  • Each parallel conducting wire of the zigzag coil 4 can be approximated by two parallel conducting wires as shown in FIG.
  • Currents I 1 and I 2 are passed through the two parallel lines in FIG. 4 in opposite directions.
  • the force acting between the two conductors is expressed as the following equation (10).
  • the minus sign indicates that a repulsive force acts between the two conductors.
  • mu r relative permeability of the magnetic elastomer 2 mu 0 is the permeability of vacuum
  • L is the length of each lead
  • r is the distance between the two wires.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of the actuator 5 according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A shows a state where current is not supplied
  • FIG. 5B shows a state where current is supplied.
  • the actuator 5 is characterized in that a helical coil 3 in which a conducting wire is wound in a spiral shape and a zigzag coil 4 in which the conducting wire is bent in a zigzag manner are embedded in the magnetic elastomer 2 in parallel.
  • the magnetic elastomer 2 is illustrated as being divided into two parts on the left and right for the sake of explanation, but actually the magnetic elastomer 2 is integrally formed.
  • the spiral coil 3 is the same as that of the first embodiment, and the zigzag coil 4 is the same as that of the second embodiment.
  • the spiral coil 3 contracts as described in the first embodiment.
  • the zigzag coil 4 extends as described in the second embodiment (see FIG. 6). Therefore, when a current is passed through the spiral coil 3 and the zigzag coil 4 of the actuator 5 in FIG. 5, the left side in which the spiral coil 3 is embedded contracts and the right side in which the zigzag coil 4 is embedded expands. Therefore, a bent motion occurs as shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the actuator 9 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • 7A shows the configuration of the actuator 9
  • FIG. 7B shows the operating principle of the actuator 9.
  • Actuator 9 has two torus coils 10 and 11 formed by bending a spiral coil formed by winding a conducting wire in a ring shape.
  • Each torus coil 10, 11 is embedded in a magnetic elastomer 2 shaped like a torus. Further, the torus coil 10 and the torus coil 11 are arranged so that their central axes are orthogonal to each other.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the operation of each actuator of the first, third, and fourth embodiments.
  • the actuator 1 according to the first embodiment creates a stretching motion as shown in FIG.
  • the actuator 5 of Example 3 creates a bending motion as shown in FIG.
  • the actuator 9 according to the fourth embodiment creates a twisting motion as shown in FIG. Therefore, by using these three types of actuators 1, 5, and 9, all the movements required for the soft actuator can be created.
  • joints such as knees, elbows, and fingers are used for muscle expansion and contraction or flexion
  • hip joints are used for flexion and torsion
  • internal organs such as skeletal muscles, heart, and stomach are used for expansion and contraction actuators. It is possible to reproduce the movement.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the configuration of the drive device 7 using the actuator 6 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the actuator 6 has a structure in which two actuators 1 according to the first embodiment are arranged in series. The two actuators 1 can be energized independently.
  • the drive device 7 including the actuator 6 has a configuration in which a valve 8 is interposed between the two actuators 1 and 1, and the two actuators 1 and 1 are connected in a straight tube shape.
  • a linear pump in which one extends and the other contracts can be configured by alternately passing current through the actuators 1 and 1 (see FIG. 9).
  • FIG. 9A the left actuator 1 (A) is energized and the right actuator 1 (B) is de-energized. In this case, the actuator 1 (A) contracts and the actuator 1 (B) extends.
  • FIG. 9B the left actuator 1 (A) is in a non-energized state, and the right actuator 1 (B) is in an energized state. In this case, the actuator 1 (B) contracts and the actuator 1 (A) extends. Therefore, the drive device 7 functions as a linear pump by alternately supplying current to the actuators 1 (A) and 1 (B).
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the configuration of a sensor according to Example 6 of the present invention.
  • the magnetic elastomer 2 and the helical coil 3 constituting the detector 12 are the same as those in FIG.
  • the magnetic elastomer 2 is configured by mixing a powdery ferromagnetic material or a high magnetic permeability material with an elastomer.
  • Detection means 13 for detecting a current generated in the spiral coil 3 is connected to both ends of the spiral coil 3 of the detector 12.
  • the material of the magnetic elastomer 2 In order to improve the detection sensitivity, it is preferable to use a material mixed with a ferromagnetic material as the material of the magnetic elastomer 2. It is more preferable to use an anisotropic magnetic elastomer in which the magnetization of the ferromagnetic material is oriented in one direction as the magnetic elastomer 2. This is because the number of magnetic fluxes passing through the spiral coil 3 can be increased.
  • the detector 12 has the same configuration as that of the actuator 1 shown in FIG. 1, but naturally, the same as the actuator 1 ′ shown in FIG. 3, the actuator 5 shown in FIG. 5, and the actuator 9 shown in FIG. It is also possible to use a detector having the following structure. Also in this case, as the magnetic elastomer 2, a powdered ferromagnetic material or a material having a high magnetic permeability mixed with the elastomer is used.

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Abstract

　筋肉のように柔軟かつ静かに動き、長期間安定した動作を維持でき、強い駆動力を発生でき、入力応答性が速く感度も良好で、エネルギー変換効率も高く、かつ正確な制御が可能なアクチュエータを提供する。 　粉体状の強磁性体材料又は高透磁率材料をエラストマーに混合してなる磁性エラストマーに、コイルを埋入し、前記コイルに通電可能とした。コイルに通電することでコイル内及びコイル周辺に磁場が発生する。この磁場は磁性エラストマーを貫通する。磁性エラストマー内に磁場が生じると、磁性エラストマー内の各部に作用する磁力により、磁性エラストマーに変形力が働く。これにより、駆動力を得ることができる。

Description

磁気力によるアクチュエータ及びそれを用いた駆動装置、並びにセンサ
　本発明は、伸縮・屈曲・ひねりなどの運動を柔軟に行うことのできる、磁気力によるアクチュエータ及びそれを用いた駆動装置、並びに前記アクチュエータと同様の構造を用いたセンサに関する。
　ロボットに代表される駆動装置の大半は、モータが用いられている。しかし、一般的なモータは重く、また、音、振動、電気的ノイズが発生するという問題を常に有している。そのため、福祉ロボット、リハビリ用ロボット等の人間親和性の高いロボットなどの分野では、モータに代わって、筋肉のように静かに力強く動くソフトアクチュエータに対する需要が高まりつつある。
　従来のソフトアクチュエータとしては、イオン導電性高分子（ＩＰＭＣ：Ionic Polymer metal composite）を用いたＩＰＭＣアクチュエータ、形状記憶合金（ＳＭＡ）を用いたＳＭＡアクチュエータ、導電性高分子の電解伸縮によるによるソフトアクチュエータ等が開発されている。
　ＩＰＭＣアクチュエータは、電解液を含むイオン導電性高分子に電圧を加えると、高分子内を、プラスイオンがマイナス極側に移動し、同時にプラスイオンを伴う多量の水がマイナス極側に移動する。その結果、プラスイオンとともに水が集まったマイナス極側で高分子が膨潤し、逆にプラス極側では水が減少した分だけ収縮する。この膨潤・収縮の現象により高分子が屈曲するため、これをアクチュエータの動力として利用するものである。
　ＩＰＭＣアクチュエータは、比較的低い駆動電圧（１．５Ｖ程度）でも駆動できる、応答性が速い（０．１秒以下）、耐久性が高い（１０万回以上の屈曲が可能）、小型化が容易である、消費電力が小さく長時間の駆動が可能であるなどの長所がある。そのため、ＩＰＭＣアクチュエータは、現在多くの研究開発が行われている（例えば、特許文献１～３参照）。
　ＳＭＡアクチュエータは、形状記憶合金にあらかじめ材料に特定の形状を記憶させておき、低温で応力を加え変形を加えても、ある温度以上に加熱することであらかじめ記憶された形状へ復元する現象を、アクチュエータとして利用するものである（例えば、特許文献４，５参照）。ＳＭＡアクチュエータは、発生力が大きく、高収縮構造の構成が容易であるという利点がある。
　導電性高分子の電解伸縮によるによるソフトアクチュエータは、導電性高分子に電気を通すことによって、電気的な酸化還元反応により、高分子の化学構造や高分子構造を変化させ、高分子に筋肉のような動きを発現させるものである（特許文献６－８参照）。このタイプのソフトアクチュエータは、形状を保持しやすい、動力変換効率が高い、１．５Ｖ以下の低電圧でも駆動できる、小型化が容易で軽量である等の利点を有している。
特開平６－６９９１号公報 特開２００７－２６７４７１号公報 特開２００７－３１８９６０号公報 特開2007-247593号公報 特開2007-138721号公報 特開平11-169393号公報 特開平11-169394号公報 特開2006-299842号公報
　しかしながら、上記ＩＰＭＣアクチュエータは、電解質を利用しているため、長期間使用すると電解質が劣化して不安定になりやすいという問題がある。また、高分子の膨潤と収縮を駆動力とするため、駆動力が比較的小さい、正確な制御が困難である、駆動中に急速停止させることが困難である、乾燥した環境下では使用できない等の問題も有している。
　また、上記ＳＭＡアクチュエータは、形状記憶合金の加熱・冷却といった熱変化を利用しているため、特に冷却時において形状記憶合金の応答性が低いという問題がある。また、熱の拡散を伴うことから、エネルギー効率が低いという問題を有する。
　また、上記導電性高分子の電解伸縮によるによるソフトアクチュエータは、ＩＰＭＣアクチュエータに比べると発生力は大きいが、電解質を利用しているため、長期間使用すると電解質が劣化して不安定になりやすいという問題がある。また、これも高分子の構造変化を利用することから、応答速度が遅く、エネルギーの変換効率も低いという欠点がある。
　そこで、本発明の目的は、筋肉のように柔軟にかつ静かに力強く動くといった従来のソフトアクチュエータの特性を維持しつつ、長期間にわたり安定した動作を維持することができ、強い駆動力を発生でき、入力に対する応答性が速く感度も良好であり、エネルギー変換効率も高く、かつ正確な制御が可能なアクチュエータ及びそれを用いた駆動装置を提供することにある。
　また、本発明の他の目的は、前記本発明のアクチュエータと構造を同じくし、外力による変形を検出可能なセンサを提供することを目的とする。
　アクチュエータに係る本発明の第１の構成は、強磁性体材料をエラストマーに混合してなる磁性エラストマーに、コイルを埋入し、前記コイルに通電可能としたことを特徴とする。
　この構成によれば、コイルに通電することによりコイル内及びコイル周辺に磁場が発生する。コイルは磁性エラストマーに埋入されているため、この磁場は磁性エラストマーを貫通する。磁性エラストマー内に磁場が生じると、磁性エラストマー内の各部に作用する磁力により、磁性エラストマーに変形力が働く。これにより、駆動力を得ることができる。
　コイルは磁性エラストマーに完全に埋入されていることから、発生する磁束がすべて磁性エラストマーを貫通するためエネルギー変換効率は非常に高く、強い駆動力を発生できつ。また、磁性エラストマーの弾性により、アクチュエータは筋肉のように柔軟かつ静かに動く。さらに、上述した従来のソフトアクチュエータと異なり電解質を用いておらず、動作に伴って化学反応や分子構造的な変化を伴わないため、長期間安定した動作を維持することができる。また、原理的には従来のモータと同様、通電によりコイルに発生する磁気を用いるため、通常のモータと同様に入力応答性が速く感度も良好である。また、コイルに通電する電流の制御によって正確な制御が可能である。
　ここで、「強磁性（Ferromagnetism）材料」とは、隣り合うスピンが同一の方向を向いて整列し、全体として大きな磁気モーメントを持つ材料をいい、外部磁場が無くても自発磁化を持つことができるような材料をいう。「強磁性体材料」としては、例えば、鉄、フェライト、Alinico、ＯＰ、ＭｎＢｉ、バリウムフェライト、スーパーマロイ、アルニコ、サマリウムコバルト、ネオジム鉄ボロン、サマリウム鉄窒素等の無機系の強磁性体材料や有機強磁性材料を使用することができる。尚、強磁性体材料をエラストマーに混合する場合には、粉体状、液体状又はコロイド状として混合することができる。「エラストマー」とは、ゴム、プラスチックあるいは樹脂のような重合物質で構成され、低い応力で引き延ばされ、応力を解くとただちに元の長さにもどる弾性を有する物質をいう。「エラストマー」としては、例えば、天然ゴム、合成ゴム、ブチルゴム等を使用することができる。
　アクチュエータに係る本発明の第２の構成は、高透磁率材料をエラストマーに混合してなる磁性エラストマーに、コイルを埋入し、前記コイルに通電可能としたことを特徴とする。
　この構成によっても、前記第１の構成の場合と同様の作用により、アクチュエータの駆動力を得ることができる。
　ここで、「高透磁率材料」とは、比透磁率が高い材料をいうが、好ましくは比透磁率が１０以上の材料を使用することが好ましい。比透磁率が大きいほどコイルに通電したときのアクチュエータの駆動力が大きくなるが、実用的に十分な駆動力を得るには比透磁率が１０以上である必要があればよい。「高透磁率材料」としては、例えば、鉄、フェライト、ソフトフェライト、Alinico、ＯＰ、ＭｎＢｉ、バリウムフェライト、パーマロイ、スーパーマロイ、ケイ素鋼、センダスト、パーメンジュール、アモルファス磁性合金、ナノクリスタル磁性合金等の無機系の高透磁率材料や有機高透磁率材料を使用することができる。この場合も、高透磁率材料をエラストマーに混合する場合には、粉体状、液体状又はコロイド状として混合することができる。尚、実際には高透磁率材料の比透磁率の適正値は、後述するように、エラストマーのヤング率との比で決まる。高透磁率材料の比透磁率をμｒ、エラストマーのヤング率をＹ〔Ｐａ〕としたとき、多くの実用に耐えるアクチュエータとするには、μｒ／Ｙ＞１〔Ｐａ－１〕とすることが好ましい。
　アクチュエータに係る本発明の第３の構成は、前記第１又は第２の構成において、前記コイルは、導線を螺旋状に巻回した螺旋コイルであることを特徴とする。
　この構成により、アクチュエータにより伸縮運動を作り出すことが可能となる。
　アクチュエータに係る本発明の第４の構成は、前記第１又は第２の構成において、前記コイルは、導線をジグザグに反復して屈曲したジグザグコイルであることを特徴とする。
　この構成により、アクチュエータにより伸縮運動を作り出すことが可能となる。
　ここで、「ジグザグコイル」とは、導線をジグザグに反復して屈曲した形状のコイルをいい、JIS B 0103に規定された「ジグザグばね」と同様の形状を有するコイルをいう。
　アクチュエータに係る本発明の第５の構成は、前記第１又は第２の構成において、導線を螺旋状に巻回した螺旋コイルと、導線をジグザグに反復して屈曲したジグザグコイルとが、前記磁性エラストマーに並列に埋入されていることを特徴とする。
　この構成により、アクチュエータにより屈曲運動を作り出すことが可能となる。
　アクチュエータに係る本発明の第６の構成は、前記第１又は第２の構成において、それぞれ独立に通電可能な複数の前記コイルが、前記磁性エラストマーに直列に埋入されていることを特徴とする。
　この構成により、アクチュエータにより交互に伸縮する伸縮運動を作り出すことが可能となる。
　アクチュエータに係る本発明の第７の構成は、前記第１又は第２の構成において、導線を螺旋状に巻回した螺旋コイルを環状に曲げて形成された第１及び第２のトーラスコイルを備え、前記第１のトーラスコイルと前記第２のトーラスコイルは、中心軸が互いに直交するように配置された状態で前記磁性エラストマーに埋入されていることを特徴とする。
　この構成により、アクチュエータにより捻り運動を作り出すことが可能となる。
　駆動装置に係る本発明の第１の構成は、前記第１乃至７の何れかの構成のアクチュエータ又はこれらの複数を動力源として使用したことを特徴とする。
　センサに係る本発明の第１の構成は、強磁性体材料をエラストマーに混合してなる磁性エラストマーに、コイルを埋入した検出子と、前記コイルに発生する電圧又は電流を検出する検出手段を備えたことを特徴とする。
　この構成により、検出子の変形を検出することが可能となる。
　センサに係る本発明の第２の構成は、高透磁率材料をエラストマーに混合してなる磁性エラストマーに、コイルを埋入した検出子と、前記コイルに発生する電圧又は電流を検出する検出手段を備えたことを特徴とする。
　この構成により、検出子の変形を検出することが可能となる。
　以上のように、本発明に係るアクチュエータによれば、磁性エラストマーにコイルを埋入し、コイルに通電することにより磁性エラストマー内に磁場を形成し、この磁場により発生する磁力で磁性エラストマーを変形させる構成としたことで、筋肉のように柔軟にかつ静かに力強く動くといった従来のソフトアクチュエータの特性を実現することができる。また、電解質を利用しておらず駆動に際して化学的な変化を伴わないため、長期間にわたって安定に動作させることが可能である。また、磁性体に作用する磁力によって駆動する点では、従来の磁石式のモータと同様であるため、応答性が速く、高い感度であり、強い駆動力を発生させることが可能であるとともに、電気的に正確な制御をすることも可能である。さらに、コイルが磁性エラストマーに埋入されており、コイルで発生する磁束はすべて磁性エラストマーを通過する。従って、高いエネルギー変換効率を実現することができる。
本発明の実施例１に係るアクチュエータ１の構成を表す図である。 図１のアクチュエータ１の基本ユニット構成である。 本発明の実施例２に係るアクチュエータ１’の構成を表す図である。 図３のアクチュエータ１’の基本ユニット構成である。 本発明の実施例３に係るアクチュエータ５の構成を表す図である。 アクチュエータ１とアクチュエータ１’の動作を表す図である。 本発明の実施例４に係るアクチュエータ９の構成を表す図である。 実施例１，３，４の各アクチュエータの動作を表す図である。 本発明の実施例５に係るアクチュエータ６を用いた駆動装置７の構成を表す図である。 本発明の実施例６に係るセンサの構成を表す図である。
符号の説明
　１，１’，５，６，９　アクチュエータ
　２　磁性エラストマー
　３　螺旋コイル
　４　ジグザグコイル
　７　駆動装置
　８　弁
　１０，１１　トーラスコイル
　１２　検出子
　１３　検出手段
　以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１は、本発明の実施例１に係るアクチュエータの構成を表す図である。図１において、本実施例のアクチュエータ１は、円筒状に整形された磁性エラストマー２の内部に、導線を螺旋状に巻回した螺旋コイル３が埋入された構成を有している。磁性エラストマー２は、粉体状の強磁性又は高透磁率の材料を、合成ゴム、合成樹脂、プラスチックなどからなるエラストマーにミキシングロール等で混合調製したのち整形したものである。螺旋コイル３は、銅、アルミ等の通常の導線が使用される。また、螺旋コイル３の両端は外部に引き出されており（図示せず）、両端から螺旋コイル３に通電することができる。
　尚、本実施例では、大きい収縮率と伸縮力を得るために、磁性エラストマー２の中心を中空とした円筒状としたが、場合によっては磁性エラストマー２の形状は円柱状としてもよい。
　図２に示したように、螺旋コイル３の直径をＤ、螺旋ピッチをｒとする。また、磁性エラストマー２の比透磁率をμｒ、真空の透磁率をμ０とする。螺旋コイル３に電流Ｉを通電した場合、図２のような２回巻きの部分コイルに働く力Ｆ０は、次式（１）で表される。この力Ｆ０はコイルが収縮する方向に働く。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　螺旋コイル３の巻数をｎ回とすると、螺旋コイル３の両端におけるコイルの収縮力Ｆは、次式（２）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
ここで、βｎはｎ回導線を巻くことによる、導線間の多重磁場の補正項である。
（例１）
　磁性エラストマー２の比透磁率μｒ＝１０５、螺旋コイル３のコイル径Ｄ＝５ｍｍ、ピッチｒ＝１ｍｍ、巻数２とする。コイル長は３ｍｍである。また、螺旋コイル３に通電する電流を１Ａとする。このとき、螺旋コイル３に発生する収縮力は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　この力で、重力場で何グラム以下の錘が持ち上げられるのかを求めると、重力加速度をｇ＝９．８ｍ／ｓ２として、Ｆ０＝ｍｇより、発生の初期収縮力は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 となり、３２グラムの錘を持ち上げる収縮力が発生する。尚、この計算においては、磁性エラストマー２の弾性率については考慮していない。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（例終わり）
　次に、アクチュエータ１の伸縮率について考察する。伸縮率は、磁性エラストマー２のヤング率Ｙで決まり、ヤング率が大きいと硬くなる。磁性エラストマー２が柔らかいほど大きく収縮するアクチュエータが得られる。
　磁性エラストマー２に加わる単位面積あたりの応力ｆと歪み（伸縮率）Δｌとの関係は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 ｆ＝ＹΔｌ
である。従って、磁性エラストマー２の断面積をＳＧとすると、力の平衡条件から次式（６）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　従って、２回巻き基本ユニットに対する伸縮率は、次式（７）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
（例２）
　磁性エラストマー２の外径を５．５ｍｍ、内径を４．５ｍｍとする。このとき、磁性エラストマー２の断面積はＳＧ＝７．８５×１０－６ｍ２である。磁性エラストマー２と螺旋コイル３の複合体のヤング率をＹ＝１０５Ｐａとすると、ＳＧＹ＝０．７８５Ｎである。よって、式（３）より、Δｌ＝０．３１５／ＳＧＹ＝０．４０となり、４０％の伸縮率を実現できる。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（例終わり）
　但し、上述の評価に関しては、螺旋コイル３の太さを無視しているので、実際には螺旋コイル３の太さを考慮した分だけ全体の収縮率は小さくなる。また、収縮することによってコイル間の距離（ピッチ）が縮まるため、収縮力はさらに増加する。
　式（７）より、本実施例のアクチュエータ１の性能は、磁性エラストマー２の透磁率μｒμ０が大きいほどよく、磁性エラストマー２と螺旋コイル３の複合体のヤング率Ｙが小さいほどよい。その目安は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 以上であれば、多くの実用に耐えるアクチュエータ１を作成することができる。
　最後に、アクチュエータ１の電気的特性について簡単な例で説明する。
（例３）
　螺旋コイル３の線材を銅線とし、その線径ｔを０．３ｍｍとする。銅線なので電気伝導度はσ＝５９．６×１０６Ｓ／ｍである。この銅線を直径Ｄ＝５ｍｍのコイルとし、巻き数ｎを２回とすると、線材の断面積ｓ、長さＬ、抵抗Ｒは、次式（９ａ）～（９ｃ）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　従って、１Ａの電流を流すと８ｍＷのジュール熱が発生する。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（例終わり）
　図３は、本発明の実施例２に係るアクチュエータ１’の構成を表す図である。本実施例のアクチュエータ１’は、平たい立方体状に整形された磁性エラストマー２の内部に、導線をジグザグ状に反復して屈曲したジグザグコイル４が埋入された構成を有している。磁性エラストマー２は、実施例１と同様、粉体状の強磁性又は高透磁率の材料を、合成ゴム、合成樹脂、プラスチックなどからなるエラストマーにミキシングロール等で混合調製したのち整形したものである。また、ジグザグコイル４についても、実施例１と同様、銅、アルミ等の通常の導線が使用される。また、ジグザグコイル４の両端は磁性エラストマー２の外部に引き出されており、両端からジグザグコイル４に通電することができる。
　このアクチュエータ１’の動作原理は次の通りである。ジグザグコイル４の並行する各導線は、図４に示したような平行する２本の導線で近似モデル化することができる。図４の平行する２線に、それぞれ電流Ｉ１，Ｉ２を互いに逆向きに流す。この場合、２本の導線間に働く力は、次式（１０）のように表される。ここで、マイナス符号は、２本の導線間に斥力が働くことを表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ここで、μｒは磁性エラストマー２の比透磁率、μ０は真空の透磁率、Ｌは各導線の長さ、ｒは２本の導線間の距離である。
　従って、図３のアクチュエータ１’のジグザグコイル４に電流を流すと、アクチュエータ１’は伸長することが分かる。
　図５は、本発明の実施例３に係るアクチュエータ５の構成を表す図である。図５（ａ）は通電していない状態、図５（ｂ）は通電した状態を表している。アクチュエータ５は、導線を螺旋状に巻回した螺旋コイル３と、導線をジグザグに反復して屈曲したジグザグコイル４とが、磁性エラストマー２に並列に埋入されていることを特徴とする。図５では、説明のために磁性エラストマー２を左右２つの部分に分けて記載しているが、実際には磁性エラストマー２は一体に整形される。
　螺旋コイル３については実施例１と同様のものであり、また、ジグザグコイル４については、実施例２と同様のものである。螺旋コイル３に電流を流すと、実施例１で説明した通り、螺旋コイル３が収縮する。一方、ジグザグコイル４に電流を流すと、実施例２で説明した通り、ジグザグコイル４が伸長する（図６参照）。従って、図５のアクチュエータ５の螺旋コイル３とジグザグコイル４に電流を流した場合、螺旋コイル３の埋入された左側が収縮し、ジグザグコイル４が埋入された右側が伸長するため、結果的に図５（ｂ）に示したように屈曲した動きが生じることになる。
　図７は、本発明の実施例４に係るアクチュエータ９の構成を表す図である。図７（ａ）はアクチュエータ９の構成、図７（ｂ）はアクチュエータ９の動作原理を表している。
　アクチュエータ９は、導線を螺旋状に巻回した螺旋コイルを環状に曲げて形成された２つのトーラスコイル１０，１１を有する。各トーラスコイル１０，１１は、トーラス状に整形された磁性エラストマー２に埋入されている。また、トーラスコイル１０とトーラスコイル１１とは、中心軸が互いに直交するように配置されている。
　トーラスコイル１０，１１に電流を流すと、図７（ｂ）に示したように、トーラスコイル１０，１１は直交する２つの電磁石となる。従って、この２つの電磁石の相互作用によって、トーラスコイル１０，１１の間には、図７（ｂ）に矢印Ｆで示したような捻りの力が作用する。すなわち、アクチュエータ９は捻り運動を作り出すことができる。
　図８は、実施例１，３，４の各アクチュエータの動作を表す図である。実施例１のアクチュエータ１は、図８（ａ）のような伸縮運動を作り出す。実施例３のアクチュエータ５は、図８（ｂ）のような屈曲運動を作り出す。実施例４のアクチュエータ９は、図８（ｃ）のような捻り運動を作り出す。従って、この３種類のアクチュエータ１，５，９を用いることによって、ソフトアクチュエータに要求されるすべての運動を作り出すことができる。例えば、膝、肘、指などの関節は、筋肉の伸縮運動又は屈曲運動、股関節、肩は屈曲運動と捻り運動、骨格筋肉、心臓、胃などの内臓は伸縮運動のアクチュエータをそれぞれ用いれば、その運動を再現することが可能である。
　図９は、本発明の実施例５に係るアクチュエータ６を用いた駆動装置７の構成を表す図である。アクチュエータ６は、実施例１のアクチュエータ１を直列に２つ並べた構造を有する。２つのアクチュエータ１は、それぞれ独立に通電することが可能である。このアクチュエータ６を備えた駆動装置７は、２つのアクチュエータ１，１の間に弁８を介設し、２つのアクチュエータ１，１が直管状に接続された構成を有している。
　アクチュエータ１，１に交互に電流を流すことにより、一方が伸び他方が収縮するリニアポンプを構成することができる（図９参照）。図９（ａ）では、左側のアクチュエータ１（Ａ）が通電状態、右側のアクチュエータ１（Ｂ）が非通電状態とされている。この場合、アクチュエータ１（Ａ）が収縮し、アクチュエータ１（Ｂ）が伸長する。図９（ｂ）では、左側のアクチュエータ１（Ａ）が非通電状態、右側のアクチュエータ１（Ｂ）が通電状態とされている。この場合、アクチュエータ１（Ｂ）が収縮し、アクチュエータ１（Ａ）が伸長する。従って、アクチュエータ１（Ａ），１（Ｂ）に交互に電流を流すことにより、駆動装置７は、リニアポンプとして機能する。
　図１０は、本発明の実施例６に係るセンサの構成を表す図である。図１０において、検出子１２を構成する磁性エラストマー２及び螺旋コイル３は、図１と同様のものである。磁性エラストマー２は、粉体状の強磁性体材料又は高透磁率材料をエラストマーに混合して構成されている。検出子１２の螺旋コイル３の両端には、螺旋コイル３に発生する電流を検出する検出手段１３が接続されている。
　この構成では、検出子１２に圧縮又は伸長する力が加わって、検出子１２が圧縮変形又は伸長変形した場合、螺旋コイル３を通過する磁場が変化するため、電磁誘導によって螺旋コイル３に起電力が生じ電流が流れる。この電流を検出手段１３が検出することで、検出子１２の変形の大きさを検出することができる。
　検出感度を良好にするためには、磁性エラストマー２の材料としては強磁性体材料を混合したものを用いることが好ましい。また、磁性エラストマー２として、強磁性体材料の磁化を一方向に配向させた異方性の磁性エラストマーを使用することがより好ましい。螺旋コイル３を通過する磁束数がより多くできるからである。
　尚、本実施例では、検出子１２として図１のアクチュエータ１と同様の構成のものを使用したが、当然ながら、図３のアクチュエータ１’、図５のアクチュエータ５、図７のアクチュエータ９と同様の構造の検出子を使用することもできる。この場合も、磁性エラストマー２としては、粉体状の強磁性体材料又は高透磁率材料をエラストマーに混合したものを使用する。

Claims (10)

  1. 　強磁性体材料をエラストマーに混合してなる磁性エラストマーに、コイルを埋入し、前記コイルに通電可能としたことを特徴とするアクチュエータ。
  2. 　高透磁率材料をエラストマーに混合してなる磁性エラストマーに、コイルを埋入し、前記コイルに通電可能としたことを特徴とするアクチュエータ。
  3. 　前記コイルは、導線を螺旋状に巻回した螺旋コイルであることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
  4. 　前記コイルは、導線をジグザグに反復して屈曲したジグザグコイルであることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
  5. 　導線を螺旋状に巻回した螺旋コイルと、導線をジグザグに反復して屈曲したジグザグコイルとが、前記磁性エラストマーに並列に埋入されていることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
  6. 　それぞれ独立に通電可能な複数の前記コイルが、前記磁性エラストマーに直列に埋入されていることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
  7. 　導線を螺旋状に巻回した螺旋コイルを環状に曲げて形成された第１及び第２のトーラスコイルを備え、前記第１のトーラスコイルと前記第２のトーラスコイルは、中心軸が互いに直交するように配置された状態で前記磁性エラストマーに埋入されていることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
  8. 　請求項１乃至７の何れかのアクチュエータ又はこれらの複数を動力源として使用したことを特徴とする駆動装置。
  9. 　強磁性体材料をエラストマーに混合してなる磁性エラストマーに、コイルを埋入した検出子と、前記コイルに発生する電圧又は電流を検出する検出手段を備えたことを特徴とするセンサ。
  10. 　高透磁率材料をエラストマーに混合してなる磁性エラストマーに、コイルを埋入した検出子と、前記コイルに発生する電圧又は電流を検出する検出手段を備えたことを特徴とするセンサ。
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