JPS63198567A - 電磁気アクチユエ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、電磁力を利用した電磁気アクチュエータに関
する。

Ｂ１発明の概要 本発明は、略Ｖ字状のベースフィルムに絶縁部で覆った
導電部を設けて絶縁性フィルムを構成し、この絶縁性フ
ィルムを巻き付けてアクチュエータ本体を構成し、前記
導電部に通電して電流と磁界との相互作用にて前記アク
チュエータ本体を伸縮することにより、 エネルギー交換効率がよく省エネルギー化に供する、コ
ンプレッサ等が不用で独立性が高く小型化になる、アク
チュエータ本体を溶液内に浸漬してアクチュエータ自体
を生体に近い柔軟性を備えたものにすることが可能であ
る、という効果を奏する。

Ｃ０従来の技術 従来、医療用その他小型、軽量、柔軟性等が要求される
ロボット、マニュピレータ等に用いられるアクチュエー
タとして、形状記憶合金を用い温度による形状記憶合金
の変形を利用したものやゴムチューブを用い空気圧によ
るゴムチューブの変形を利用したものなどが開発されて
いる。

Ｄ０発明が解決しようとする問題点 しかしながら、前者の形状記憶合金式のものは、熱を加
えたり又は熱を奪うことによりその形状を変えるため本
質的にエネルギー変換効率が悪いという欠点があった。

また、後者のゴムチューブ式のもめは、コンプレッサを
必要とするため装置が大型化するという欠点があった。

さらに、医療・看護、リハビリテーション、アミューズ
メント、家庭用サービスなどの分野に活用されるロボッ
トに使用するものにあっては、生体に近い柔軟性を備え
たものが望まれるが未だこれを満足するアクチュエータ
は発明されていない。

そこで、本発明は上述の点に鑑みなされたもので省エネ
化、独立性が高く小型化に供すると共に生体に近い柔軟
性を備えたアクチュエータを提供することを目的とする
。

Ｅ０問題点を解決するための手段 上記目的を達成するための本発明の構成は、略Ｖ字状に
ベースフィルムを設けこのベースフィルムにＶ字状に添
って導電部を設けこの導電部を絶縁部で覆って絶縁性フ
ィルムを構成し、この絶縁性フィルムを略Ｖ字状の尖端
部を中心にして巻き付けて弾性を有するアクチュエータ
本体を構成し、このアクチュエータ本体の両端部の少な
くとも一方を被作動部に接続し、前記導電部に通電した
ことを特徴とする。

Ｆ６作用 従って、アクチュエータ本体はその隣り合う螺旋段部が
アクチュエータ本体の長手方向にずれて配置された状態
となり、導電部に通電すると隣り合う螺旋段部の導電部
間に電流と磁界の相互作用が生じて螺旋段部同士が相互
に引き合いアクチュエータ本体が収縮する。

Ｇ、実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図及び第２図において、アクチュエータ本体ｌは複
数の螺旋段部２が組み合わされて竹のこばねを二個接続
した形状をなしていると共に長手方向に弾性を有してい
る。このアクチュエータ本体１は、絶縁性且つ弾性を有
するベースフィルム３の一方面に所定間隔を隔てて６本
の導電部４が設けられている。この導電部４はアクチュ
エータ本体！が平坦状に展開されたときにＶ字状方向に
延びるべく設けられている。絶縁部５は、ポリエステル
などの絶縁体にて形成され前記導電部４を被覆している
。磁性層６は、前記絶縁部５の表面側と前記ベースフィ
ルム３の反導電部４側とにそれぞれ積層されている。こ
の磁性層６は炭素鋼。

パーマロイ、フェライト、アモルファス合金などの軟磁
性材料から形成するのが好ましい。このそれぞれの磁性
！ＩＪ６の表面側にはすべりをよくするための保護ｒＩ
ｉ７が積層されている。この保護膜７にはナイロンやテ
フロンなどの摩擦抵抗が小さい高分子材料が好適である
。

このようにして構成されたアクチュエータ本体１の両端
の少なくとも一方が被作動部に接続されていると共に両
端では前記導電部４がそれぞれ露出されて電極部１０が
構成されている。この電極部１０では各６本の導電部４
端は、アクチュエータ本体Ｉの外側から内側に向かって
第１図に示す如く符号を付せばａ端とｂ′端、ｂ端とｃ
’、ｃ端とｄ′端、ｄ端とｅ′端、ｅ端とｒ′とがそれ
ぞれ結線されていると共にｆ端とａ′端とがスイッチＳ
Ｗ、抵抗Ｒ及び直流電源Ｅの直列回路を介して接続され
ている。

前記スイッチＳＷは電磁気アクチュエータをマイコンな
どで制御する場合にはトランジスタやソリッドステート
リレーなどで構成される。

電磁気アクチュエータの製造方法の一例を第１図、第２
図及び第３図を参照しながら説明する。

先ず、ベースフィルム３を略Ｖ字状に形成し、このベー
スフィルム３の一面に導電体の箔を蒸着するか又は導電
性フィルムを接着する。この導電体の箔又は導電性フィ
ルムの表面にフォトレジストの一様な膜を作り第３図の
Ｇの部分をフォトレジスト法によりマスキングする。こ
のマスキングしたものをエツチングするとマスキングし
なかった箇所の導電体の箔又は導電性フィルムが浸蝕し
所定間隔に６本の導電部４が形成される。

次に、導電部４側に絶縁材をコーティングして絶縁部５
を構成しこの絶縁部５の表面及びベースフィルム３の反
導電部４側に磁性材を塗布又は接着して磁性層６を構成
し、この双方の磁性Ｈ６の表面にナイロンなどを塗布し
て保護膜７を設けて絶縁性フィルム８を構成する。この
絶縁性フィルム８を略Ｖ字状の尖端部が外側中央になる
ように巻き付けてアクチュエータ本体Ｉを構成する。

最後に、アクチュエータ本体ｌの両端部分を切削又は剥
離して導電部４を露出して電極部１０を構成し導電部４
を上記の如く配線すると共に両端部の少なくとも一方を
被作動部に接続すれば完了する。

電磁気アクチュエータの動作原理を第４図乃至第６図を
参照しながら説明する。

スイッチＳＷをオンにすると、６本の導電部４に電流が
流れる。この電流は第４図に示す如くアクチュエータ本
体Ｉの中央を分岐点として一方側と他方側とで流れる螺
旋方向が逆となり一方側と他方側との各螺旋段部２には
別方向の磁束が発生する（第４図にてＯは紙面から上方
に■は上方から紙面に向かって流れる電流の方向を示す
。）。この磁束を隣り合う螺旋段部間でミクロ的に見る
と、第５図に示すように発生しアクチュエータ本体ｌの
隣り合う螺旋段部２の導電部４には同一方向に電流が流
れ、隣り合う螺旋段部２の導電部４間にフレミングの左
手の法則により螺旋段部２同士が相互に引き合う方向に
電磁力ｒ１が作用する。この電磁力ｒｌは隣り合う螺旋
段部２がアクチュエータ本体ｌの長手方向にずれて配置
されているためアクチュエータ本体１の長手方向に対し
９０’以内の傾斜角αをもって、且つ、アクチュエータ
本体１の中央に向かって作用する。又、第４図に示すよ
うに、前記磁束をアクチュエータ本体Ｉの全体でマクロ
的に見て、アクチュエータ本体！の中央を分岐点として
一方側と他方側とを見ると、電流の流れる方向が逆なの
でアクチュエータ本体ｌが伸長する電磁力ｒ８が作用す
る。しかし、この電磁力ｆ、は互いに逆方向の電流が流
れる導電部４間の距離が長く、前記電磁力「１に比して
弱いためアクチュエータ本体ｌは、ｐ＝ｆ＋−ｆｔの力
で収縮する。

この状態からスイッチＳＷをオフすると、前記磁力が消
失してアクチュエータ本体ｌが弾性にて伸長し元の状態
に戻る。

即ち、スイッチＳＷをオン・オフすることにより二点間
を往復運動しリニア電磁ソーレノイドと同様の動作をす
る。

連続的な位置決めにはＰ　Ｗ　Ｍ　＠御が望ましくこの
場合にはスイッチＳＷをソ、リッドステートリレーより
構成してマイコンなどの制御装置と接続して用いるのが
好適である。また、このＰＷＭ制御にあって電圧レベル
を高くすると発生する磁力が強くなりアクチュエータ本
体１は弾性的な挙動をし、電圧レベルを低くすると発生
する磁力が弱くなりアクチュエータ本体ｌは粘性的な挙
動をする。

従って、電圧レベルを可変制御すれば粘弾性制御ができ
る。

第７図乃至第９図において本発明の他の実施例が示され
ている。この実施例において前記実施例と同一構成部分
は図面に前記実施例と同一符号を付してその説明を省略
する。前記実施例と異なるところは、第７図及び第８図
に示すように、一方の電極部１０が略Ｖ字状の尖端部に
他方の電極部ｌＯが略Ｖ字状の両端部にそれぞれ設けら
れている点である。このように構成すれば、第９図に示
すように、アクチュエータ本体！の中央を分岐点として
一方側と他方側とで流れる電流の方向が同一となる。従
って、アクチュエータ本体ｌをマクロ的に見てもアクチ
ュエータ本体１を収縮する電磁力ｒ、が作用するため、
前記実施例よりも強い収縮力が得られる。

尚、この二つの実施例においては導電部４をベースフィ
ルム３の一方面にのみ設けたが両方の面に設けてもよく
両方の面に設ければ発生する磁力が強くなり強力な伸縮
力を有する電磁気アクチュエータを製作できる。また、
この二つの実施例では導電部４を６本並設して構成した
が、この導電部４の構成は効率、アクチュエータ本体室
のサイズ、必要とする出力などを考慮して決定される。

また、この２つの実施例ではベースフィルムの両面側に
磁性、１１６を設けたが、これらの磁性層６は磁束の集
中を計って動作効率を高めるため、に設けたものである
のでこれらを省略することもできる。

さらに、この二つの実施例では絶縁部５の表面に保護膜
７を積層したが、絶縁部５を低摩擦係数の材料で構成す
れば絶縁部５の表面にさらに保護膜７を積層する必要性
はない。

本発明の電磁気アクチュエータをマニュピレータに適用
した例が第１０図に示されている。

第１Ｏ図において、取付台２５には肩関節部２６を介し
て上腕骨部２７が回転自在に支持されている。

この上腕骨部２７の他端には肘関節部２８を介して前腕
骨１２９が回転自在に設けられている。

この前腕骨部２９の他端には手関節部３０を介して母指
骨部３Ｉ及び中手骨６１（３２がそれぞれ回転自在に支
持されている。

この中手骨部３２の他端には指関節部３３と指骨部３４
とがこの順序で複数個接続されている。

これら上腕骨部２７．前腕骨部２９等の骨格部が電磁気
アクチュエータにて可動される。

電磁気アクチュエータは、前記上腕骨部２７．前腕骨部
２９等の骨格部をボディ３５にて被い、このボディ３５
の形状はほぼ人間の上肢の形状を有している。

このボディ３５は、肘関節部２８等の関節部付近が蛇腹
状に形成され骨格部の可動と共に変形自在に構成されて
いると共にこのボディ３５内には収納室３６が設けられ
ている。

この収納室３６は、密閉されてこの中に潤滑兼冷却油ａ
が充Ｉｎされていると共に四本のアクヂュ圧−タ零体Ｉ
が配置されている。前記潤滑兼冷却油ａは隣接する螺旋
段部２間の接触による摩擦抵抗を極力低下させる等の目
的で充填されているが何も充填せずとも出力は得られる
。

この四本のアクチュエータ本体１は、人間の上肢の主要
な運動を行うべく各骨格部に接続されている。

即ち、二本のアクチュエータ本体１は、前記上腕骨部２
７をはさんで対向位置に配され、これら二本のアクチュ
エータ本体１−の両端は上腕骨部２７の上部と前腕骨部
２９の上部とにワイヤ９を介してそれぞれ接続されてい
る。また、他の二本のアクチュエータ本体ｌの一方は、
前記前腕骨部２９に添うよう配され、このアクチュエー
タ本体１の両端は前腕骨部２９の上部と母指骨部３１．
中手骨部３２及び各指骨部３４とにそれぞれ接続されて
いる。前記中手骨部３２及び三本の指骨部３４とは一本
のワイヤ９にて接続されさらにこのうち前記中手骨部３
２と二本の指骨部３４とは滑車３７を介して接続されて
いる。

他方のアクチュエータ本体ｌは、前記前腕骨部２９に添
うよう配され、このアクチュエータ本体ｌの両端は前腕
骨部２９の上部と中手骨部３２とにそれぞれワイヤ９を
介して接続されている。

而して、各アクチュエータ本体ｌの各導電部４に電流を
流して四本のアクチュエータ本体１を適宜に伸縮制御す
ることにより人間の腕に模した運動を行わせることがで
きる。

また、前記マニュピレータの応用例においては、第１Ｏ
図に示すように一本のアクチュエータ本体ｌが人体筋３
８を構成しているが、厚さが数μｍ程度の絶縁性フィル
ム８を使用してアクチュエータ本体ｌの外形を１００μ
ｍ程度に形成すれば人体筋３８の筋線維３９と同じ太さ
になるので、多数のアクチュエータ本体ｌを束ね合わせ
て第１１図に示すような各種の人体筋３８と同型のモデ
ルを作ることができる。

！Ｌ発明の効果 以上述べたように本発明によれば、略Ｖ字状のベースフ
ィルムに絶縁部で覆った導電部を設けて絶縁性フィルム
を構成しこの絶縁性フィルムを巻き付けてアクチュエー
タ本体を構成し前記導？ｌ１ｉ１に通電すると電流と磁
界の相互作用によってアクチュエータ本体が伸縮するの
で、エネルギー交換効率がよく省エネルギー化になる、
コンプレツサ等が不用で独立性が高く小型化になる、ア
クチュエータ本体を溶液で充填させた場合には生体に近
。

い柔軟性がある、等の効果を奏する。この生体に近い柔
軟性を有するため医療・看護、リハビリテーション、ア
ミューズメント、家庭用サービスなどの人間と直接接す
る機会が多いロボット等に極めて使用価値が高い。

また・、アクチュエータ本体に与える電流を可変すれば
直接アクチュエータ本体の伸縮を制御できるので、連応
性に優れた制御ができ、又、伸縮速度や伸縮方向の制御
も簡単に行うことができるという効果を奏する。

さらに、アクチュエータ本体に特殊な素材（例えば、形
状記憶合金、水素吸蔵合金、圧電体セラミックなど）を
使用する必要がないので、素材の機能や性質に振り回さ
れることがなく設計・製作が簡単となり、又、これによ
りロボット等の保守性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明の実施例を示し、第１図は電
磁気アクチュエータの正面図、第２図は電磁気アクチュ
エータの一部拡大断面図、第３図°はアクチュエータ本
体の製造方法を示すための導電部製作工程を示す展開図
、第４図は電磁気アクチュエータの動作原理を説明する
図、第５図は電磁力の発生原理を示す図、第６図は磁束
の発生状態を示す電磁気アクチュエータの正面図、第７
図乃至第９図は本発明の他の実施例を示し、第７図はア
クチュエータ本体の製造方法を示すための導電部製作工
程を示す展開図、第８図は電磁気アクチュエータ夕の正
面図、第９図は電磁気アクチュエータの動作原理を示す
図であり、第１０図はマニピュレータの断面図、第１１
図は人体筋のモデル図である。 ■・・・アクチュエータ本体、３・・・ベースフィルム
、４・・・導電部、５・・・絶縁部、８・・・絶縁性フ
ィルム。 第１　図 烟カａ無アク５エータの正面図（本発明）第２図 ｔ！檻気アク吟１エータの−ＮＫ、大ｒ面区μ末完唱）
第３図 アクへエータ不イ本の宰造カ広戸示ｊ尺のの畔督邪製（
′ｌｌ″罎鱈閘ポ開図（本発明）第５図 電ｆＪ鳳７７の発王環理公示η図（不猪明２第７図 第１０図 第１１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　略Ｖ字状にベースフィルムを設けこのベースフィルム
   にＶ字状に添つて導電部を設けこの導電部を絶縁部で覆
   つて絶縁性フィルムを構成し、この絶縁性フィルムを略
   Ｖ字状の尖端部を中心にして巻き付けて弾性を有するア
   クチュエータ本体を構成し、このアクチュエータ本体の
   両端部の少なくとも一方を被作動部に接続し、前記導電
   部に通電したことを特徴とする電磁気アクチュエータ。