アクチュエータおよびリンク機構
【課題】見かけ上、非線形な弾性係数を有するアクチュエータおよびリンク機構を提供する。
【解決手段】直動可能に支持された基台２０に、第１のプーリ２２ａおよび第２のプーリ２２ｂが一体に回転可能に支持されている。第１のプーリ２２ａには、第１のワイヤ１７ａが巻き付けられており、第１のワイヤ１７ａの出力端Ｔｏが負荷に接続されている。第２のプーリ２２ｂには、第２のワイヤ１７ｂが第１のワイヤ１７ａとは逆方向に巻き付けられている。基台１４には、取付部材１２が連結されている。駆動源３は、基台３および取付部材１２を一体に直動させる。取付部材１２にはバネ４の一端が接続され、バネ４の他端が第２のワイヤ１７ｂに接続されている。
【解決手段】直動可能に支持された基台２０に、第１のプーリ２２ａおよび第２のプーリ２２ｂが一体に回転可能に支持されている。第１のプーリ２２ａには、第１のワイヤ１７ａが巻き付けられており、第１のワイヤ１７ａの出力端Ｔｏが負荷に接続されている。第２のプーリ２２ｂには、第２のワイヤ１７ｂが第１のワイヤ１７ａとは逆方向に巻き付けられている。基台１４には、取付部材１２が連結されている。駆動源３は、基台３および取付部材１２を一体に直動させる。取付部材１２にはバネ４の一端が接続され、バネ４の他端が第２のワイヤ１７ｂに接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種ロボットのアーム、マニピュレータ、または作業者や要介護者の動作支援機器等に使用されるアクチュエータおよびアクチュエータを備えたリンク機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種ロボットのアームや、マニピュレータ等の開発において、生体の構造に類似した筋骨格構造を採用することにより、柔軟かつ俊敏な動作を実現し、それをさまざまな作業に適用することが検討されている。ここで、一般には生物の持つ筋肉が発生する筋力Ｆは次式（１）で表されることが知られている（非特許文献１参照）。
Ｆ＝Ｕ−ｋ・Ｕ・Ｘ−ｂ・Ｕ・（ｄＸ／ｄｔ） （１）
【０００３】
式（１）において、Ｕは筋肉の収縮力、Ｘはその変位（収縮）量、ｄＸ／ｄｔは変位速度、ｋおよびｂは定数である。ここで右辺第２項は弾性力に相当する力であり、その弾性係数は−ｋ・Ｕ、また第３項は粘性力に相当する力であり、その粘性係数は−ｂ・Ｕである。このように弾性係数および粘性係数が収縮力Ｕに比例する点が筋肉の特徴である。また非特許文献１，２では、式（１）で表された特性を駆動源、弾性要素および粘性要素を並列に接続し、その一端を出力端としたアクチュエータのモデルによって表現している。
【０００４】
ここで式（１）から第３項（粘性力）を省略した次式（２）で表される出力特性を持ったアクチュエータを仮定する。
Ｆ＝Ｕ−ｋ・Ｕ・Ｘ （２）
【０００５】
ロボットアームのリンク機構は、このような出力特性を持つアクチュエータ２つを、ロボットアーム等の関節により旋回可能に支持されたリンクの両側に拮抗するように配置して構成されている。関節の回りの駆動トルクは両アクチュエータの収縮力（引っ張り力）Ｕの差によって定まり、また剛性は両アクチュエータの収縮力Ｕの和によって定まる。即ち両アクチュエータの収縮力Ｕを別々に調整することによって、関節の回りのトルクと剛性とを独立に変えることが可能となり、生物的で柔軟かつ俊敏な動作への応用が期待できる。
【０００６】
このような特徴を備えたアクチュエータの実現手段として、駆動源であるモータとギヤを、弾性要素であるバネに直列に接続し、バネの一端を駆動源により駆動し、他端を出力端として出力を得るアクチュエータが開示されている（特許文献１参照）。この例では駆動源でバネを駆動することが収縮力Ｕの発生に相当する。
【０００７】
さらに上記特許文献１には、変位（収縮）量Ｘの増加とともに弾性力の変化率、即ち弾性係数（バネ定数）が減少する、不等ピッチコイルバネやテーパコイルバネ等の非線形な特性を有するバネを弾性要素として使用する例が開示されている。このような特性を有するバネの一端を駆動すると、出力特性を表す曲線がＸ軸方向に平行移動する。変位量Ｘを一定とした場合には、バネの駆動に従って出力Ｆは増大し、また同時にバネ定数も増大する。即ち上記の式（２）で表される特性に近い特性を有するアクチュエータが実現できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−９６０２０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】熊本水頼編著：ヒューマノイド工学，東京電機大学出版局
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで一般的なバネの弾性係数（バネ定数）は変位によらず一定であるが、特許文献１にも開示されているように、不等ピッチコイルバネやテーパコイルバネ等の特殊な形状とすることによって、弾性係数の特性を非線形にできることが知られている。しかし単一の部材から構成した単純なバネにおいて、その形状や寸法を部位によって変化させたとしても、得られる弾性係数の可変比（最大値／最小値）には限界がある。
【００１１】
また変位に対する弾性力の変化を過度に急峻にするのは実用上望ましくないので、弾性力の変化は変位に対してはある程度緩やかにとどめるべきである。しかしその場合、弾性係数の可変比を大きくするには、必然的にバネの変位量も大きくする必要があり、その結果アクチュエータとして必要なストロークに比べてバネ自体が長く、さらにはアクチュエータの全長が長くなるという問題がある。
【００１２】
さらに弾性係数は弾性力の変位に対する微分係数であるから、上記の式（２）で示されるように弾性係数（−ｋ・Ｕ）が収縮力Ｕに比例する特性を実現するには、弾性力が変位の指数関数に近い特性であるようなバネが必要となる。即ちそのようなバネの弾性力Ｆｓと変位Ｘの関係は次の式（３）で表され、またその弾性係数ｄＦｓ／ｄＸは式（４）で表される。ここでＢおよびＣは定数である。
Ｆｓ＝Ｃ・ｅＢ・Ｘ （３）
ｄＦｓ／ｄＸ＝Ｂ・Ｃ・ｅＢ・Ｘ （４）
【００１３】
しかしながら単一の部材から成るバネで、しかもこのような特殊な関数形で表現される特性を有するものを設計し製造することは非常に困難である。
【００１４】
そこで本発明は、見かけ上非線形な弾性係数を有するアクチュエータおよびリンク機構を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、負荷に引っ張り力を作用させるアクチュエータにおいて、直動可能に支持された基台と、前記基台に回転可能に支持された第１のプーリと、前記第１のプーリと一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第２のプーリと、前記負荷に接続され、前記第１のプーリが第１の回転方向に回転するときには前記第１のプーリに巻き取られ、前記第１のプーリが前記第１の回転方向と反対の第２の回転方向に回転するときには前記第１のプーリから繰り出されるように、前記第１のプーリの外周に巻き付けられた第１の接続部材と、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を巻き取るときには前記第２のプーリから繰り出され、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を繰り出すときには前記第２のプーリに巻き取られるように、前記第２のプーリの外周に巻き付けられた第２の接続部材と、前記基台に対して前記負荷と反対側に配置され、前記基台に連結された取付部材と、前記基台および前記取付部材を一体に直動させる駆動源と、一端が前記取付部材に接続され、他端が前記第２の接続部材に接続され、前記第２のプーリから前記第２の接続部材を繰り出すように前記第２の接続部材に引っ張り力を付勢する伸縮可能な弾性部材と、を備え、前記第１のプーリおよび前記第２のプーリは、前記第１のプーリおよび前記第２のプーリの回転中心から前記第１の接続部材の巻き取られている部分の終端までの距離Ｒ１と、前記回転中心から前記第２の接続部材の巻き取られている部分の終端までの距離Ｒ２との比Ｒ１／Ｒ２が、前記第１のプーリおよび前記第２のプーリの回転に応じて変化する形状に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、負荷に引っ張り力を作用させるアクチュエータにおいて、直動可能に支持された基台と、前記基台に回転可能に支持された第１の歯車と、前記基台に回転可能に支持され、前記第１の歯車と噛合する第２の歯車と、前記第１の歯車と一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第１のプーリと、前記第２の歯車と一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第２のプーリと、前記負荷に接続され、前記第１のプーリが第１の回転方向に回転するときには前記第１のプーリに巻き取られ、前記第１のプーリが前記第１の回転方向と反対の第２の回転方向に回転するときには前記第１のプーリから繰り出されるように、前記第１のプーリの外周に巻き付けられた第１の接続部材と、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を巻き取るときには前記第２のプーリから繰り出され、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を繰り出すときには前記第２のプーリに巻き取られるように、前記第２のプーリの外周に巻き付けられた第２の接続部材と、前記基台に対して前記負荷と反対側に配置され、前記基台に連結された取付部材と、前記基台および前記取付部材を一体に直動させる駆動源と、一端が前記取付部材に接続され、他端が前記第２の接続部材に接続され、前記第２のプーリから前記第２の接続部材を繰り出すように前記第２の接続部材に引っ張り力を付勢する伸縮可能な弾性部材と、を備え、前記第１の歯車および前記第２の歯車は、前記第２の歯車の回転中心から前記第１の歯車と前記第２の歯車との噛合位置までの距離Ｒ１２と、前記第１の歯車の回転中心から前記第１の歯車と前記第２の歯車との噛合位置までの距離Ｒ２１の比Ｒ１２／Ｒ２１が、前記第１の歯車および前記第２の歯車の回転に応じて変化する形状に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、弾性部材の弾性係数の可変比よりも大きい可変比となる、見かけ上非線形な弾性係数を有するアクチュエータを実現することができる。特に指数関数など特殊な関数形で表現される弾性特性を有するアクチュエータを容易に設計、製造することができる。また弾性係数の可変比を大きくした場合であっても弾性部材の変位量を大きくする必要がなく、アクチュエータの全長を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るアクチュエータを有するリンク機構の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの変位変換機構の構成を示す図である。
【図４】アクチュエータの動作を説明するための図であり、（ａ）は基台を駆動していない状態を示す図、（ｂ）は（ａ）の状態から第１のワイヤの出力端に外力が作用した場合を示す図である。（ｃ）は基台をＸｄだけ駆動した状態を示す図、（ｄ）は（ｃ）の状態から第１のワイヤの出力端に外力が作用した場合を示す図である。
【図５】アクチュエータの特性を示す図であり、（ａ）は変位変換機構がある場合を示す図、（ｂ）は変位変換機構がないと仮定した場合を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの変位変換機構の構成を示す図である。
【図８】アクチュエータの動作を説明するための図であり、（ａ）は基台を駆動していない状態を示す図、（ｂ）は（ａ）の状態から第１のワイヤの出力端に外力が作用した場合を示す図である。（ｃ）は基台をＸｄだけ駆動した状態を示す図、（ｄ）は（ｃ）の状態から第１のワイヤの出力端に外力が作用した場合を示す図である。
【図９】アクチュエータの特性を比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るアクチュエータを有するリンク機構の概略構成を示す図である。図１に示す３０は第１のリンクであり、この第１のリンク３０に関節３２を介して第２のリンク３１が旋回可能に支持されている。リンク機構１００は、第１のリンク３０と第２のリンク３１とに接続された一対のアクチュエータ１，１を備えている。本第１実施形態では、第２のリンク３１がアクチュエータ１により駆動される負荷である。２つのアクチュエータ１，１のうち、一方のアクチュエータが第１のアクチュエータ１ａ、他方のアクチュエータが第２のアクチュエータ１ｂであり、各アクチュエータ１ａ，１ｂは同一の構成である。第１の制御回路３３ａは、第２のリンク３１に作用させる第１のアクチュエータ１ａの引っ張り力（収縮力）を制御し、第２の制御回路３３ｂは、第２のリンク３１に作用させる第２のアクチュエータ１ｂの引っ張り力（収縮力）を制御する。
【００２１】
第１のアクチュエータ１ａと第２のアクチュエータ１ｂは、第１のリンク３０の両側に固定され、第１のアクチュエータ１ａの出力端Ｔｏ１と第２のアクチュエータ１ｂの出力端Ｔｏ２が拮抗するように第２のリンク３１に対して取付けられる。
【００２２】
ここで第１のアクチュエータ１ａが発生する収縮力をＵ１、第２のアクチュエータ１ｂが発生する収縮力をＵ２とする。また関節３２における回転中心から各アクチュエータ１ａ，１ｂの出力端Ｔｏ１，Ｔｏ２までの距離をｒ、第２のリンク３１の回転角をφとすると第２のリンク３１に作用する全トルクＴは次式（５）のようになる。
Ｔ＝（Ｕ１−Ｕ２）・ｒ−ｋ・（Ｕ１＋Ｕ２）・ｒ２・φ （５）
【００２３】
式（５）における右辺第１項は駆動トルク、第２項は弾性トルクである。駆動トルクが両アクチュエータ１ａ，１ｂの収縮力の差Ｕ１−Ｕ２に比例するのに対して、弾性トルクは第２のリンク３１の回転角φと両アクチュエータ１ａ，１ｂの収縮力の和Ｕ１＋Ｕ２に比例する。従って第１の制御回路３３ａおよび第２の制御回路３３ｂにより第１のアクチュエータ１ａの発生する収縮力Ｕ１と第２のアクチュエータ１ｂの発生する収縮力Ｕ２を別々に制御することにより、駆動トルクと剛性とを独立に調整することが可能となるのである。なお、第２のリンク３１は、駆動トルクが作用することにより関節３２で旋回する。また、第２のリンク３１は、弾性トルクが作用することにより剛性が付与される。
【００２４】
図２は、本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの構成を示す断面図である。アクチュエータ１は、筐体２と、筐体２に内蔵された駆動源３と、弾性部材として伸縮可能なバネ４と、変位変換機構５と、ガイド６と、バネ４の一端を取り付けるための取付部材１２とを有して構成される。ここで使用するバネ４は非線形な特性を有する必要はなく、弾性係数（バネ定数）が一定である線形特性を有する引っ張りコイルバネとする。
【００２５】
駆動源３は、筐体２内に固定された固定子１０と、固定子１０により矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に直線的に駆動される可動子１１から成る。駆動源３自体のバックドライバビリティは十分に低く、たとえ外力が可動子１１に作用しても逆駆動されないものとする。このような駆動源３として、超音波モータや減速比の大きな減速ギヤを組み合わせたモータを使用することができる。また回転型のモータを使用する場合には、回転運動を直線運動に変換するための機構を別途必要とする。このような機構は例えばネジとナット、ラックとピニオン、プーリとベルト（ワイヤ）、クランク機構等、既知の手段により構成できる。
【００２６】
可動子１１の先端には取付部材１２が取り付けられている。これにより、取付部材１２は、駆動源３の駆動により、矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に直線的に移動する。取付部材１２にはバネ４の一端Ｔ１、および支持部材１３の一端が接続されている。
【００２７】
変位変換機構５は、基台１４、第１のプーリ１６ａ、第２のプーリ１６ｂ、可撓性を有する第１の接続部材である第１のワイヤ１７ａ、および可撓性を有する第２の接続部材である第２のワイヤ１７ｂにより構成されている。なお、本実施形態では、接続部材としてワイヤを用いる場合について説明するが、ベルト等の可撓性を有する紐状の部材であればいずれでもよい。
【００２８】
基台１４は、バネ４の他端Ｔ２側に配置されており、支持部材１３の他端に接続されている。つまり、基台１４と、基台１４に対して負荷である第２のリンク３１（図１）側とは反対側に配置された取付部材１２とが支持部材１３により連結されている。つまり、バネ４が取付部材１２と基台１４との間に配置されている。そして、取付部材１２と基台１４とが連結されているので、基台１４およびバネ４は、駆動源３によって移動する取付部材１２と一体に移動する。
【００２９】
基台１４は、回転軸１５が正逆回転方向に回転可能な状態で回転軸１５を支持している。第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂは、基台１４に対して一体に回転するように回転軸１５に固定されている。つまり、第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂは、一体に回転可能に回転軸１５を介して基台１４に支持されている。なお、回転軸１５を基台１４に設けた場合について説明したが、基台に固定軸を固定し、第１のプーリおよび第２のプーリが固定軸まわりに一体に正逆回転方向に回転するように構成してもよい。
【００３０】
基台１４はガイド６によって案内されて移動方向が矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に規制されている。これにより基台１４は筐体２にガイド６を介して矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に直動可能に支持されている。そして、駆動源３はバネ４の一端Ｔ１とともに基台１４も一体的に矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に駆動する。
【００３１】
第１のワイヤ１７ａは、その一端である出力端Ｔｏが駆動源３とは逆方向に引き出され、負荷である第２のリンク３１（図１）に接続されている。また、第１のワイヤ１７ａは、その他端が第１のプーリ１６ａに接続されており、他端側から第１のプーリ１６ａの外周に巻き付けられている。第２のワイヤ１７ｂは、その一端が出力端Ｔｏとは逆方向（駆動源３側）に引き出され、バネ４の他端Ｔ２に接続されている。また、第２のワイヤ１７ｂは、その他端が第２のプーリ１６ｂに接続されており、他端側から第２のプーリ１６ｂの外周に巻き付けられている。
【００３２】
変位変換機構５の詳細を図３に示す。ここで、第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂの回転中心Ｑ（回転軸１５の中心）から第１のプーリ１６ａにおいて第１のワイヤ１７ａの巻き取られている部分の終端（巻回端）Ｓ１までの距離をＲ１とする。また、回転中心Ｑから第２のプーリ１６ｂにおいて第２のワイヤ１７ｂの巻き取られている部分の終端（巻回端）Ｓ２までの距離をＲ２とする。
【００３３】
第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂは、それらの外周が、距離Ｒ１と距離Ｒ２との比Ｒ１／Ｒ２が第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂの回転に応じて変化する形状に形成されている。
【００３４】
ここで、第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂのうち少なくとも一方のプーリの外周が、回転中心Ｑを中心とする断面渦巻形状に形成されているのがよい。本第１実施形態では、第２のプーリ１６ｂの外周が断面渦巻形状に形成され、第１のプーリ１６ａの外周が断面円形状に形成されている。従って、第１のプーリ１６ａの外周が断面円形状であるので、第１のワイヤ１７ａにおいて巻き取られている部分の終端（巻回端）Ｓ１と回転中心Ｑとの距離（回転半径）Ｒ１は一定である。これに対し、第２のプーリ１６ｂは、その回転角θが第２のワイヤ１７ｂを巻き取る方向に増大するに連れて第２のワイヤ１７ｂにおける巻き取られている部分の終端（巻回端）Ｓ２と回転中心Ｑとの距離（回転半径）Ｒ２が増大する螺旋形状である。つまり、第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂの外周は、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ１６ａから繰り出されるに連れて比Ｒ１／Ｒ２が小さくなる形状に形成されている。言い換えれば、第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂの外周は、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ１６ａに巻き付けられるに連れて比Ｒ１／Ｒ２が大きくなる形状に形成されている。
【００３５】
ここで、第１のワイヤ１７ａは、第１のプーリ１６ａが第１の回転方向Ａに回転するときには第１のプーリ１６ａに巻き取られ、第１のプーリ１６ａが第１の回転方向Ａと反対の第２の回転方向Ｂに回転するときには第１のプーリ１６ａから繰り出される。そして、第２のワイヤ１７ｂは、第１のワイヤ１７ａの巻き付け方向とは反対方向に第２のプーリ１６ｂに巻き付けられている。これにより、第２のプーリ１６ｂは、第１のプーリ１６ａと一体に第１の回転方向Ａに回転した際に第１のプーリ１６ａが第１のワイヤ１７ａを巻き取るときには、第２のワイヤ１７ｂを繰り出す。また、第２のプーリ１６ｂは、第１のプーリ１６ａと一体に第２の回転方向Ｂに回転した際に第１のプーリ１６ａが第１のワイヤ１７ａを繰り出すときには、第２のワイヤ１７ｂを巻き取る。
【００３６】
次にアクチュエータ１の動作について説明する。図４は、アクチュエータ１の動作を説明する図であり、主要部のみ示す。図５は、各動作状態における出力端Ｔｏの変位Ｘに対する出力Ｆの特性を示す図である。図５（ａ）において曲線Ｌｏ１およびＬｏ２で示すのは本実施形態によるアクチュエータ１の特性である。また比較のため、変位変換機構５が無くバネ４の他端Ｔ２を直接負荷である第２のリンク３１に接続したと仮定した場合の特性を直線Ｌｓで示す。この場合には出力Ｆはバネ４が発生する弾性力そのものとなる。
【００３７】
図４（ａ）は駆動源３がバネ４（基台１４）を駆動せず出力端Ｔｏからの出力Ｆは０であり、また出力端Ｔｏに外力の作用も無い状態を示している。つまり、引っ張りコイルバネであるバネ４は、自由長であり、第２のワイヤ１７ｂに引っ張り力は作用していない状態である。この時の出力端Ｔｏの位置Ｘを０（基準位置）とする。図５（ａ）においてはこの状態を動作位置Ｏ（０，０）で示す。そして、この状態でのプーリ１６ａ，１６ｂの回転角θを０度とする。
【００３８】
図４（ｂ）は図４（ａ）の状態から出力端Ｔｏに第１のワイヤ１７ａを繰り出す方向（矢印Ｘ−で示す方向）に外力が作用して出力端Ｔｏの位置Ｘが−Ｘｏ１に変位した状態を示している。この時、第１のプーリ１６ａが回転し、同時に第２のプーリ１６ｂも第１のプーリ１６ａと一体に回転するので、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ１６ａから繰り出される一方、第２のワイヤ１７ｂが第２のプーリ１６ｂに巻き取られる。その結果、第２のプーリ１６ｂに巻き取られた第２のワイヤ１７ｂによりバネ４の他端Ｔ２が牽引され、バネ４が−Ｘｓ１伸張する。このバネ４により、第２のプーリ１６ｂから第２のワイヤ１７ｂを繰り出す方向に第２のワイヤ１７ｂに引っ張り力である弾性力Ｆｓ１が付勢される。これにより出力端Ｔｏには外力に釣り合う出力（引っ張り力）Ｆｏ１が発生する。なおここでは図４における左方向の変位を正（＋）、右方向の変位を負（−）とする。本実施形態では、プーリ１６ａ，１６ｂは、０度以上３６０度未満の範囲で回転する。
【００３９】
次に変位変換機構５による変位と力の変換作用について説明する。図３に示した第１のプーリ１６ａの第１のワイヤ１７ａの巻回端Ｓ１における回転半径Ｒ１と、第２のプーリ１６ｂの第２のワイヤ１７ｂの巻回端Ｓ２における回転半径Ｒ２との比Ａ（θ）＝Ｒ１／Ｒ２はプーリ１６ａ，１６ｂの回転角θにより変化する。
【００４０】
ここで第１のワイヤ１７ａの微小変位をΔＸｏ、第２のワイヤ１７ｂの微小変位をΔＸｓとすると、ΔＸｏ＝Ａ（θ）・ΔＸｓなる関係が成り立つ。また第１のワイヤ１７ａに作用する張力をＦｏ、第２のワイヤ１７ｂに作用する張力をＦｓとするとＦｏ＝Ｆｓ／Ａ（θ）なる関係が成り立つ。従って第２のワイヤ１７ｂが接続されるバネ４の弾性係数をｋｓ、出力端Ｔｏにおける見かけの弾性係数をｋｏとすると次式（６）が成り立つ。
ｋｏ＝ｋｓ／Ａ（θ）２ （６）
【００４１】
これによりバネ４の弾性係数ｋｓが一定値であったとしても、回転角θの変化に伴う係数１／Ａ（θ）２の値の変化によって、非線形な変化をする弾性係数ｋｏを得ることができるのである。
【００４２】
図５（ａ）において直線Ｌｓで示す変位変換機構５が無い場合の特性は、このような変位変換機構５の変換作用によって、曲線Ｌｏ１で示す特性へと変換される。また図４（ｂ）の状態に対応したバネ４の動作位置Ｐｓ１（−Ｘｓ１，Ｆｓ１）は、出力端Ｔｏの動作位置Ｐｏ１（−Ｘｏ１，Ｆｏ１）へと変換される。
【００４３】
次に図４（ｃ）は図４（ａ）の状態（出力端Ｔｏに外力の作用が無い状態）から、駆動源３がバネ４の一端Ｔ１および基台１４を出力端Ｔｏとは逆方向（矢印Ｘ＋で示す方向）にＸｄだけ駆動し、出力端Ｔｏの位置ＸがＸｄへと変位した状態を示している。この状態ではバネ４の長さは図４（ａ）と同一で変化はなく、弾性力も発生しない。また第１のプーリ１６ａと第２のプーリ１６ｂは回転しない。
【００４４】
図５（ｂ）にこの状態における特性を示す。出力端Ｔｏにおける特性は図４（ａ）の状態を示す曲線Ｌｏ１からＸ軸方向にＸｄだけ平行移動した曲線Ｌｏ２で示す特性となる。またそれに伴い動作位置もＯ（０，０）からＰｏ２（Ｘｄ，０）へと移動する。つまり、駆動源３により取付部材１２および基台１４を移動させることで、バネ４の動作位置を変位させることができる。
【００４５】
次に図４（ｄ）は図４（ｃ）の状態から出力端Ｔｏに第１のワイヤ１７ａを繰り出す方向（矢印Ｘ−で示す方向）に外力が作用して−Ｘｏ１だけ変位し、出力端Ｔｏの位置ＸがＸｄ−Ｘｏ１となった状態を示している。この時、第１のプーリ１６ａが回転し、同時に第２のプーリ１６ｂも第１のプーリ１６ａと一体に回転するので、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ１６ａから繰り出される一方、第２のワイヤ１７ｂが第２のプーリ１６ｂに巻き取られる。その結果、第２のプーリ１６ｂに巻き取られた第２のワイヤ１７ｂによりバネ４の他端Ｔ２が牽引され、バネ４が−Ｘｓ１伸張し、バネ４により第２のワイヤ１７ｂには引っ張り力である弾性力Ｆｓ１が発生する。これにより出力端Ｔｏには外力に釣り合う出力Ｆｏ１が発生し、動作位置はＰｏ３（Ｘｄ−Ｘｏ１，Ｆｏ１）へと移動する。
【００４６】
本実施形態においては変換特性、即ち図５における曲線Ｌｏ１の形状は、第１のプーリ１６ａと第２のプーリ１６ｂ回転半径の比Ａ（θ）＝Ｒ１／Ｒ２で決まり、弾性係数の変換係数は式（６）で示したように１／Ａ（θ）２＝（Ｒ２／Ｒ１）２である。
【００４７】
このように変換特性をプーリ１６ａ，１６ｂの形状寸法のみで決定できるので、その設計および製造は非常に容易である。例えば弾性力が変位に対して所望の関数、例えば式（４）で示した非線形なバネの特性と同一の特性を実現するとした場合、出力端Ｔｏにおける見かけ上の弾性係数ｋｏは次式（７）のようになる。
ｋｏ＝Ｂ・Ｃ・ｅＢ・Ｘ （７）
【００４８】
上記の式（６）および式（７）よりＡ（θ）が次式（８）を満たすように第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂの回転半径Ｒ１およびＲ２を設計すればよいことになる。
Ａ（θ）＝｛ｋｓ／（Ｂ・Ｃ・ｅＢ・Ｘ）｝１／２ （８）
【００４９】
なお、本実施形態では、第１のプーリ１６ａの回転半径Ｒ１は回転角θによらず一定で、第２のプーリ１６ｂの回転半径Ｒ２のみが回転角θに応じて変化するものとしたが、これに限るものではない。上記の式（８）を満たすことができれば、回転半径Ｒ１、回転半径Ｒ２のいずれか、または両方が回転角θに応じて変化すればよい。つまり、本実施形態では、第１のプーリ１６ａの外周を渦巻形状に形成し、第２のプーリ１６ｂの外周を円形状に形成したが、第２のプーリ１６ｂの外周を渦巻形状に形成し、第１のプーリ１６ａを円形状および渦巻形状のいずれかの形状に形成してもよい。このように第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂを形成することで、アクチュエータ１の見かけ上の弾性係数が指数関数の特性となる。またバネ４の特性が線形ではなく非線形の場合には、その特性も考慮した上でＡ（θ）を設計すればよい。
【００５０】
また本実施形態においては第２のプーリ１６ｂの回転に伴い、第２のワイヤ１７ｂの巻回端Ｓ２の位置は、第２のワイヤ１７ｂに対して垂直な方向（図３においては上下方向）に変位する。このためにバネ４および第２のワイヤ１７ｂは傾斜し、バネ４の伸張量にも影響を及ぼす。この傾斜は十分に小さければ無視しても差し支えないが、必要であればプーリ１６ｂの形状を、この傾斜の影響を補正するように設計しておくこともできる。
【００５１】
またアクチュエータ１の全ストロークに亘るＡ（θ）の平均値をＡａとすると、Ａａ＞１であればバネ４のストロークよりも出力端Ｔｏのストロークの方が大きく、変位変換機構５は同時に変位の拡大作用も持つことになる。本実施形態においては第１のプーリ１６ａの回転半径Ｒ１を第２のプーリ１６ｂの回転半径Ｒ２の最大値よりも大きくすることによってこの条件を満たすことができる。つまり、第１のプーリ１６ａにおける回転中心Ｑから外周までの距離Ｒ１が、第２のプーリ１６ｂにおける回転中心Ｑから外周までの距離Ｒ２よりも大きくなる形状に各プーリ１６ａ，１６ｂの外周が形成されている。その結果、アクチュエータ１の出力端Ｔｏに必要とされるストロークよりもバネ４のストロークが小さくなるので、バネ４自体の全長も短くできる。ひいてはアクチュエータ１全体の長さも短くすることができる。
【００５２】
さらに本実施形態においては、式（６）に示した通り、弾性係数の変換係数がＡ（θ）の２乗に逆比例するので、出力端Ｔｏにおける弾性係数ｋｏの可変比を大きくすることが容易である。例えば弾性係数ｋｏの可変比（最大値／最小値）を１０としたい場合には、Ａ（θ）の最大値／最小値は約３．２とすればよいのである。
【００５３】
以上、本実施形態では、バネ４の弾性係数ｋｓの可変比よりも大きい可変比となる、見かけ上非線形な弾性係数ｋｏを有するアクチュエータ１を実現することができる。特に指数関数など特殊な関数形で表現される弾性特性を有するアクチュエータ１を容易に設計、製造することができる。また弾性係数ｋｏの可変比を大きくした場合であってもバネ４の変位量を大きくする必要がなく、アクチュエータ１の全長を短くすることができる。
【００５４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るアクチュエータについて説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの構成を示す断面図である。図６に示すアクチュエータ１Ａは、筐体２と、駆動源３と、弾性部材としてのバネ４と、変位変換機構５Ａと、ガイド６とを有して構成される。アクチュエータ１Ａは、上記第１実施形態と同様に、リンク機構に用いられる。なお、本第２実施形態のアクチュエータ１Ａにおいて、変位変換機構５Ａ以外の構成については上記第１実施形態と同様の構成であるので、詳細な説明は省略する。
【００５５】
変位変換機構５Ａは、基台２０、第１のプーリ２２ａ、第２のプーリ２２ｂ、第１の歯車２３ａ、第２の歯車２３ｂ、第１の接続部材である第１のワイヤ１７ａおよび第２の接続部材である第２のワイヤ１７ｂにより構成されている。なお、本実施形態では、接続部材としてワイヤを用いる場合について説明するが、ベルト等の可撓性を有する紐状の部材であればいずれでもよい。
【００５６】
基台２０は、バネ４の他端Ｔ２側に配置されており、支持部材１３の他端に接続されている。つまり、基台２０と、基台２０に対して負荷である第２のリンク側とは反対側に配置された取付部材１２とが支持部材１３により連結されている。つまり、バネ４が取付部材１２と基台２０との間に配置されている。そして、取付部材１２と基台２０とが連結されているので、基台２０およびバネ４は、駆動源３によって移動する取付部材１２と一体に移動する。
【００５７】
基台２０は、第１の回転軸２１ａおよび第２の回転軸２１ｂが正逆回転方向に回転可能な状態で第１の回転軸２１ａおよび第２の回転軸２１ｂを支持している。第１のプーリ２２ａおよび第１の歯車２３ａは、基台１４に対して一体に回転するように第１の回転軸２１ａに固定されている。また、第２のプーリ２２ｂおよび第２の歯車２３ｂは、基台２０に対して一体に回転するように第２の回転軸２１ｂに固定されている。つまり、第１のプーリ２２ａおよび第１の歯車２３ａは、一体に回転可能に第１の回転軸２１ａを介して基台２０に支持されている。また、第２のプーリ２２ｂおよび第２の歯車２３ｂは、一体に回転可能に第２の回転軸２１ｂを介して基台２０に支持されている。そして、第１の歯車２３ａと第２の歯車２３ｂとは、各回転軸２１ａ，２１ｂを中心に回転可能な状態で噛み合っている。
【００５８】
なお、回転軸２１ａ，２１ｂを基台２０に設けた場合について説明したが、基台に第１の固定軸を固定し、第１のプーリおよび第１の歯車が第１の固定軸まわりに一体に正逆回転方向に回転するように構成してもよい。同様に、基台に第２の固定軸を固定し、第２のプーリおよび第２の歯車が第２の固定軸まわりに一体に正逆回転方向に回転するように構成してもよい。本実施形態では、第１のプーリ２２ａおよび第１の歯車２３ａは一体形成され、第２のプーリ２２ｂおよび第２の歯車２３ｂは一体形成されている。
【００５９】
基台２０はガイド６によって案内されて移動方向が矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に規制されている。これにより基台２０は筐体２にガイド６を介して矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に直動可能に支持されている。そして、駆動源３はバネ４の一端Ｔ１とともに基台２０も一体的に矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に駆動する。
【００６０】
第１のワイヤ１７ａは、その一端である出力端Ｔｏが駆動源３とは逆方向に引き出され、負荷である第２のリンクに接続されている。また、第１のワイヤ１７ａは、その他端が第１のプーリ２２ａに接続されており、他端側から第１のプーリ２２ａの外周に巻き付けられている。第２のワイヤ１７ｂは、その一端が出力端Ｔｏとは逆方向（駆動源３側）に引き出され、バネ４の他端Ｔ２に接続されている。また、第２のワイヤ１７ｂは、その他端が第２のプーリ２２ｂに接続されており、他端側から第２のプーリ２２ｂの外周に巻き付けられている。
【００６１】
変位変換機構５Ａの詳細を図７に示す。ここで、第１の歯車２３ａの回転中心Ｑ１（第１の回転軸２１ａの中心）から第１の歯車２３ａと第２の歯車２３ｂとの噛合位置Ｓ２１までの距離をＲ２１とする。また、第２の歯車２３ｂの回転中心Ｑ２（第２の回転軸２１ｂの中心）から第１の歯車２３ａと第２の歯車２３ｂとの噛合位置Ｓ１２までの距離をＲ１２とする。
【００６２】
第１の歯車２３ａおよび第２の歯車２３ｂは、それらの外周が、距離Ｒ１２と距離Ｒ２１との比Ｒ１２／Ｒ１２が第１の歯車２３ａおよび第２の歯車２３ｂの回転に応じて変化する形状に形成されている。
【００６３】
ここで、第１の歯車２３ａおよび第２の歯車２３ｂの外周は、断面渦巻形状に形成されている。第１の歯車２３ａはその回転角θ１の増大とともに第２の歯車２３ｂとの噛合位置Ｓ２１と回転中心Ｑ１の距離（回転半径）Ｒ２１が増加する螺旋形状である。また第２の歯車２３ｂは回転角θ２の増大とともに第１の歯車２３ａとの噛合位置Ｓ１２と回転中心Ｑ２の距離（回転半径）Ｒ１２が減少する螺旋形状である。
【００６４】
一方、第１のプーリ２２ａは断面円形状であり、第１のワイヤ１７ａの巻回端Ｓ１１と回転中心Ｑ１の距離（回転半径）Ｒ１１は一定である。また、第２のプーリ２２ｂは断面円形状であり、第２のワイヤ１７ｂの巻回端Ｓ２２と回転中心Ｑ２の距離（回転半径）Ｒ２２は一定である。
【００６５】
そして、第１の歯車２３ａおよび第２の歯車２３ｂの外周は、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ２２ａから繰り出されるに連れて比Ｒ１２／Ｒ２１が小さくなる形状に形成されている。言い換えれば、第１の歯車２３ａおよび第２の歯車２３ｂの外周は、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ２２ａに巻き付けられるに連れて比Ｒ１２／Ｒ２１が大きくなる形状に形成されている。
【００６６】
ここで、第１のワイヤ１７ａは、第１のプーリ２２ａが第１の回転方向Ａに回転するときには第１のプーリ２２ａに巻き取られ、第１のプーリ２２ａが第１の回転方向Ａと反対の第２の回転方向Ｂに回転するときには第１のプーリ２２ａから繰り出される。
【００６７】
第１の歯車２３ａに噛み合う第２の歯車２３ｂは、第１の歯車２３ａとは反対方向に回転するので、第２のプーリ２２ｂは、第１のプーリ２２ａとは反対方向に回転する。第２のワイヤ１７ｂは、第１のワイヤ１７ａの巻き付け方向と同一の方向に第２のプーリ２２ｂに巻き付けられている。これにより、第２のワイヤ１７ｂは、第１のプーリ２２ａが第１の回転方向Ａに回転して第１のワイヤ１７ａを巻き取るときには、第１のプーリ２２ａと反対方向に回転する第２のプーリ２２ｂから繰り出される。また、第２のワイヤ１７ｂは、第１のプーリ２２ａが第２の回転方向Ｂに回転して第１のワイヤ１７ａを繰り出すときには、第１のプーリ２２ａと反対方向に回転する第２のプーリ２２ｂに巻き取られる。
【００６８】
次にアクチュエータ１Ａの動作について説明する。図８は、アクチュエータ１Ａの動作を説明する図であり、主要部のみ示す。なお、各動作状態における特性は上記第１実施形態と同様であり図５を参照しながら説明する。
【００６９】
図８（ａ）は駆動源３がバネ４を駆動せず出力端Ｔｏからの出力Ｆは０であり、また出力端Ｔｏに外力の作用も無い状態を示している。つまり、引っ張りコイルバネであるバネ４は、自由長であり、第２のワイヤ１７ｂに引っ張り力は作用していない状態である。この時の出力端Ｔｏの位置Ｘを０（基準位置）とする。図５（ａ）においてはこの状態を動作位置Ｏ（０，０）で示す。そして、この状態でのプーリ２２ａ，２２ｂの回転角θ１，θ２を０度とする。
【００７０】
図８（ｂ）は図８（ａ）の状態から出力端Ｔｏに第１のワイヤ１７ａを繰り出す方向（矢印Ｘ−で示す方向）に外力が作用して出力端Ｔｏの位置Ｘが−Ｘｏ１に変位した状態を示している。この時、第１のワイヤ１７ａを巻き付けた第１のプーリ２２ａと第１の歯車２３ａとが第２の回転方向Ｂに一体に回転する。同時に第１の歯車２３ａに噛み合う第２の歯車２３ｂとともに第２のプーリ２２ｂも、第１の歯車２３ａと反対方向に一体に回転する。これにより、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ２２ａから繰り出される一方、第２のワイヤ１７ｂが第２のプーリ２２ｂに巻き取られる。その結果、第２のプーリ２２ｂに巻き取られた第２のワイヤ１７ｂによりバネ４の他端Ｔ２が牽引され、バネ４が−Ｘｓ１伸張する。このバネ４により、第２のプーリ２２ｂから第２のワイヤ１７ｂを繰り出す方向に第２のワイヤ１７ｂに引っ張り力である弾性力Ｆｓ１が付勢される。これにより出力端Ｔｏには外力に釣り合う出力（引っ張り力）Ｆｏ１が発生する。なおここでは図８における左方向の変位を正（＋）、右方向の変位を負（−）とする。本実施形態では、プーリ２２ａ，２２ｂは、０度以上３６０度未満の範囲で回転する。
【００７１】
次に変位変換機構５による変位と力の変換作用について説明する。図７に示した第１のプーリ２２ａの第１のワイヤ１７ａの巻回端Ｓ１１における回転半径Ｒ１１と、噛合位置Ｓ２１における回転半径Ｒ２１の比Ａ１（θ１）＝Ｒ１１／Ｒ２１は、第１のプーリ２２ａと第１の歯車２３ａの回転角θ１により変化する。また噛合位置Ｓ１２における回転半径Ｒ１２と、第２のプーリ２２ｂの第２のワイヤ１７ｂの巻回端Ｓ２２における回転半径Ｒ２２の比Ａ２（θ２）＝Ｒ１２／Ｒ２２は、第２のプーリ２２ｂと第２の歯車２３ｂの回転角θ２により変化する。
【００７２】
ここで第１のワイヤ１７ａの微小変位をΔＸｏ、第２のワイヤ１７ｂの微小変位をΔＸｓとすると、ΔＸｏ＝Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２）・ΔＸｓなる関係が成り立つ。また第１のワイヤ１７ａに作用する張力をＦｏ、第２のワイヤ１７ｂに作用する張力をＦｓとするとＦｏ＝Ｆｓ／（Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２））なる関係が成り立つ。従ってバネ４の弾性係数をｋｓ、出力端Ｔｏにおける見かけの弾性係数をｋｏとすると次式（９）が成り立つ。
ｋｏ＝ｋｓ／（Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２））２ （９）
【００７３】
これによりバネ４の弾性係数ｋｓが一定値であったとしても、回転角θ１，θ２の変化に伴う係数１／（Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２））２の値の変化によって、非線形な変化をする弾性係数ｋｏを得ることができるのである。なお本実施形態においては第１のプーリ２２ａおよび第２のプーリ２２ｂは円形であって、距離Ｒ１１およびＲ２２は一定であるから、実際には第２の歯車２３ｂと第１の歯車２３ａの回転半径の比Ｒ１２／Ｒ２１のみが非線形な変換に寄与する。
【００７４】
図５（ａ）において直線Ｌｓで示す変位変換機構５が無い場合の特性は、このような変位変換機構５Ａの変換作用によって、曲線Ｌｏ１で示す特性へと変換される。また図８（ｂ）の状態に対応したバネ４の動作位置Ｐｓ１（−Ｘｓ１，Ｆｓ１）は、出力端Ｔｏの動作位置Ｐｏ１（−Ｘｏ１，Ｆｏ１）へと変換される。
【００７５】
次に図８（ｃ）は図８（ａ）の状態（出力端Ｔｏに外力の作用が無い状態）から、駆動源３がバネ４の一端Ｔ１および基台２０を出力端Ｔｏとは逆方向（矢印Ｘ＋で示す方向）にＸｄだけ駆動し、出力端Ｔｏの位置ＸがＸｄへと変位した状態を示している。この状態ではバネ４の長さは図８（ａ）と同一で変化はなく、弾性力も発生しない。また第１のプーリ２２ａと第２のプーリ２２ｂは回転しない。
【００７６】
図５（ｂ）にこの状態における特性を示す。出力端Ｔｏにおける特性は図８（ａ）の状態を示す曲線Ｌｏ１からＸ軸方向にＸｄだけ平行移動した曲線Ｌｏ２で示す特性となる。またそれに伴い動作位置もＯ（０，０）からＰｏ２（Ｘｄ，０）へと移動する。つまり、駆動源３により取付部材１２および基台２０を移動させることで、バネ４の動作位置を変位させることができる。
【００７７】
次に図８（ｄ）は図８（ｃ）の状態から出力端Ｔｏに第１のワイヤ１７ａを繰り出す方向（矢印Ｘ−で示す方向）に外力が作用して−Ｘｏ１だけ変位し、出力端Ｔｏの位置ＸがＸｄ−Ｘｏ１となった状態を示している。この時、第１のプーリ２２ａが回転し、同時に第１の歯車２３ａおよびそれに噛み合う第２の歯車と第２のプーリ２２ｂも一体に回転する。したがって、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ２２ａから繰り出される一方、第２のワイヤ１７ｂが第２のプーリ２２ｂに巻き取られる。その結果、第２のプーリ２２ｂに巻き取られた第２のワイヤ１７ｂによりバネ４の他端Ｔ２が牽引され、バネ４が−Ｘｓ１伸張し、バネ４により第２のワイヤ１７ｂには引っ張り力である弾性力Ｆｓ１が発生する。これにより出力端Ｔｏには外力に釣り合う出力Ｆｏ１が発生し、動作位置はＰｏ３（Ｘｄ−Ｘｏ１，Ｆｏ１）へと移動する。
【００７８】
本実施形態においては変換特性、即ち図５における曲線Ｌｏ１の形状は各プーリと各歯車の回転半径の比Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２）＝（Ｒ１１・Ｒ１２）／（Ｒ２１・Ｒ２２）で決まる。弾性係数の変換係数は式（９）で示したように１／（Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２））２＝（Ｒ２１・Ｒ２２）２／（Ｒ１１・Ｒ１２）２である。
【００７９】
このように変換特性を歯車２３ａ，２３ｂの形状寸法のみで決定できるので、その設計および製造は非常に容易である。例えば弾性力が変位に対して所望の関数、例えば式（４）で示した非線形なバネの特性と同一の特性を実現するとした場合、出力端Ｔｏにおける見かけ上の弾性係数ｋｏは次式（１０）のようになる。
ｋｏ＝Ｂ・Ｃ・ｅＢ・Ｘ （１０）
【００８０】
以上の式（９）および式（１お）よりＡ１（θ１）およびＡ２（θ２）が次式（１１）を満たすように第１のプーリ２２ａ、第１の歯車２３ａ、第２のプーリ２２ｂ、第２の歯車２３ｂの回転半径Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ１２を設計すればよいことになる。
Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２）＝｛ｋｓ／（Ｂ・Ｃ・ｅＢ・Ｘ）｝１／２ （１１）
【００８１】
なお本実施形態では、第１のプーリ２２ａの回転半径Ｒ１１と第２のプーリ２２ｂの回転半径Ｒ２２は一定であるので、回転角θ１、θ２に応じて変化する必要があるのは第１の歯車２３ａの回転半径Ｒ２１と第２の歯車２３ｂの回転半径Ｒ１２のみである。ただし第１の歯車２３ａと第２の歯車２３ｂが噛み合うためにはＲ１２＋Ｒ２１は一定でなければならない。即ちＲ１２＋Ｒ２１＝一定という条件下で比Ｒ１２／Ｒ２１を設計すればよいことになる。またバネ４が線形ではなく非線形の場合には、その特性も考慮した上でＡ１（θ１）・Ａ２（θ２）を設計すればよい。
【００８２】
またアクチュエータ１Ａの全ストロークに亘るＡ１（θ１）・Ａ２（θ２）の平均値をＡａとすると、Ａａ＞１であればバネ４のストロークよりも出力端Ｔｏのストロークの方が大きく、変位変換機構５Ａは同時に変位の拡大作用も持つことになる。本実施形態においては第１のプーリ２２ａの回転半径Ｒ１１を第２のプーリ２２ｂの回転半径Ｒ２２よりも大きくすることによってこの条件を満たすことができる。つまり、第１のプーリ２２ａにおける回転中心Ｑ１から外周までの距離Ｒ１１が、第２のプーリ２２ｂにおける回転中心Ｑ２から外周までの距離Ｒ２２よりも大きくなる形状に各プーリ２２ａ，２２ｂの外周が形成されている。その結果、アクチュエータ１Ａの出力端Ｔｏに必要とされるストロークよりもバネ４のストロークが小さくなるので、バネ４自体の全長も短くできる。ひいてはアクチュエータ１Ａ全体の長さも短くすることができる。
【００８３】
さらに本実施形態においては式（９）に示した通り、弾性係数の変換係数がＡ１（θ１）・Ａ２（θ２）の２乗に逆比例するので、出力端Ｔｏにおける弾性係数ｋｏの可変比を大きくすることが容易である。例えば弾性係数ｋｏの可変比（最大値／最小値）を１０としたい場合には、Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２）の最大値／最小値は約３．２とすればよいのである。
【００８４】
以上、本実施形態では、バネ４の弾性係数ｋｓの可変比よりも大きい可変比となる、見かけ上非線形な弾性係数ｋｏを有するアクチュエータ１Ａを実現することができる。特に指数関数など特殊な関数形で表現される弾性特性を有するアクチュエータ１Ａを容易に設計、製造することができる。また弾性係数ｋｏの可変比を大きくした場合であってもバネ４の変位量を大きくする必要がなく、アクチュエータ１Ａの全長を短くすることができる。
【００８５】
なお、上記第１実施形態、第２実施形態ともに駆動源３はバネ４の一端Ｔ１を駆動する時、基台１４または２０も一体的に駆動する必要がある。仮に駆動源３がバネ４の一端Ｔ１のみを駆動し、基台１４または２０を駆動しないとすると、図４（ｃ），図４（ｄ）または図８（ｃ），図８（ｄ）に示した動作において、駆動によってバネ４の発生する弾性力がオフセットとして加わるのみである。したがって、図５（ｂ）に曲線Ｌｏ１で示した出力端Ｔｏの特性はＦ軸方向に平行移動し、必要とするＸ軸方向への平行移動を生じないからである。
【００８６】
以上説明したように、第１，第２実施形態によるアクチュエータは使用するバネの特性が線形（バネ定数が一定）であっても、非線形な特性を有する変位変換機構と組み合わせたことによって、出力端においては見かけ上非線形な弾力特性を実現することができる。
【００８７】
ここで上記アクチュエータ１，１Ａの特性と、上記の式（２）で表される特性との比較を行う。図９（ａ）は、アクチュエータ１，１Ａの出力Ｆの特性を示す図である。変位変換機構５，５Ａにより得られた特性を駆動源３により任意の量、駆動して平行移動させ、曲線群Ｌｏで示す特性を得ることができ、これらの曲線群Ｌｏ上の任意の位置を動作位置とすることができる。ここで各曲線群ＬｏのＦ軸との交点（Ｘ＝０）における値が式（２）における収縮力Ｕに相当し、動作位置における傾きが弾性係数ｋｏに相当する。同様に図９（ｂ）には上記の式（２）において、収縮力Ｕを変化させた場合の出力Ｆの特性を直線群Ｌｍで示す。
【００８８】
ここで実用上必要とされる動作範囲が、矩形領域Ｘｍｉｎ≦Ｘ≦Ｘｍａｘ、０≦Ｆ≦Ｆｍａｘの範囲であるものとし、この動作範囲における特性を比較する。図９（ａ）、図９（ｂ）において収縮力Ｕの増大にともない、弾性係数も増大するという特徴は一致する。特に前述したように弾性係数ｋｏが変位Ｘの指数関数で表されるような特性とした場合には、任意のＸの値において、弾性係数ｋｏは収縮力Ｕに比例するので、ほぼ式（２）で表されるものと同じ特性が実現できるのである。
【００８９】
またアクチュエータ１，１Ａの出力Ｆの特性は、変位Ｘに対して線形ではない点が、式（２）で表された特性とは異なるが、Ｘｍｉｎ≦Ｘ≦Ｘｍａｘの範囲で十分に変化が緩やかであれば実用上問題はない。
【符号の説明】
【００９０】
１，１Ａ…アクチュエータ、３…駆動源、４…バネ、１２…取付部材、１４…基台、１６ａ…第１のプーリ、１６ｂ…第２のプーリ、１７ａ…第１のワイヤ、１７ｂ…第２のワイヤ、２０…基台、２２ａ…第１のプーリ、２２ｂ…第２のプーリ、２３ａ…第１の歯車、２３ｂ…第２の歯車、３０…第１のリンク、３１…第２のリンク、３２…関節、１００…リンク機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種ロボットのアーム、マニピュレータ、または作業者や要介護者の動作支援機器等に使用されるアクチュエータおよびアクチュエータを備えたリンク機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種ロボットのアームや、マニピュレータ等の開発において、生体の構造に類似した筋骨格構造を採用することにより、柔軟かつ俊敏な動作を実現し、それをさまざまな作業に適用することが検討されている。ここで、一般には生物の持つ筋肉が発生する筋力Ｆは次式（１）で表されることが知られている（非特許文献１参照）。
Ｆ＝Ｕ−ｋ・Ｕ・Ｘ−ｂ・Ｕ・（ｄＸ／ｄｔ） （１）
【０００３】
式（１）において、Ｕは筋肉の収縮力、Ｘはその変位（収縮）量、ｄＸ／ｄｔは変位速度、ｋおよびｂは定数である。ここで右辺第２項は弾性力に相当する力であり、その弾性係数は−ｋ・Ｕ、また第３項は粘性力に相当する力であり、その粘性係数は−ｂ・Ｕである。このように弾性係数および粘性係数が収縮力Ｕに比例する点が筋肉の特徴である。また非特許文献１，２では、式（１）で表された特性を駆動源、弾性要素および粘性要素を並列に接続し、その一端を出力端としたアクチュエータのモデルによって表現している。
【０００４】
ここで式（１）から第３項（粘性力）を省略した次式（２）で表される出力特性を持ったアクチュエータを仮定する。
Ｆ＝Ｕ−ｋ・Ｕ・Ｘ （２）
【０００５】
ロボットアームのリンク機構は、このような出力特性を持つアクチュエータ２つを、ロボットアーム等の関節により旋回可能に支持されたリンクの両側に拮抗するように配置して構成されている。関節の回りの駆動トルクは両アクチュエータの収縮力（引っ張り力）Ｕの差によって定まり、また剛性は両アクチュエータの収縮力Ｕの和によって定まる。即ち両アクチュエータの収縮力Ｕを別々に調整することによって、関節の回りのトルクと剛性とを独立に変えることが可能となり、生物的で柔軟かつ俊敏な動作への応用が期待できる。
【０００６】
このような特徴を備えたアクチュエータの実現手段として、駆動源であるモータとギヤを、弾性要素であるバネに直列に接続し、バネの一端を駆動源により駆動し、他端を出力端として出力を得るアクチュエータが開示されている（特許文献１参照）。この例では駆動源でバネを駆動することが収縮力Ｕの発生に相当する。
【０００７】
さらに上記特許文献１には、変位（収縮）量Ｘの増加とともに弾性力の変化率、即ち弾性係数（バネ定数）が減少する、不等ピッチコイルバネやテーパコイルバネ等の非線形な特性を有するバネを弾性要素として使用する例が開示されている。このような特性を有するバネの一端を駆動すると、出力特性を表す曲線がＸ軸方向に平行移動する。変位量Ｘを一定とした場合には、バネの駆動に従って出力Ｆは増大し、また同時にバネ定数も増大する。即ち上記の式（２）で表される特性に近い特性を有するアクチュエータが実現できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−９６０２０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】熊本水頼編著：ヒューマノイド工学，東京電機大学出版局
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで一般的なバネの弾性係数（バネ定数）は変位によらず一定であるが、特許文献１にも開示されているように、不等ピッチコイルバネやテーパコイルバネ等の特殊な形状とすることによって、弾性係数の特性を非線形にできることが知られている。しかし単一の部材から構成した単純なバネにおいて、その形状や寸法を部位によって変化させたとしても、得られる弾性係数の可変比（最大値／最小値）には限界がある。
【００１１】
また変位に対する弾性力の変化を過度に急峻にするのは実用上望ましくないので、弾性力の変化は変位に対してはある程度緩やかにとどめるべきである。しかしその場合、弾性係数の可変比を大きくするには、必然的にバネの変位量も大きくする必要があり、その結果アクチュエータとして必要なストロークに比べてバネ自体が長く、さらにはアクチュエータの全長が長くなるという問題がある。
【００１２】
さらに弾性係数は弾性力の変位に対する微分係数であるから、上記の式（２）で示されるように弾性係数（−ｋ・Ｕ）が収縮力Ｕに比例する特性を実現するには、弾性力が変位の指数関数に近い特性であるようなバネが必要となる。即ちそのようなバネの弾性力Ｆｓと変位Ｘの関係は次の式（３）で表され、またその弾性係数ｄＦｓ／ｄＸは式（４）で表される。ここでＢおよびＣは定数である。
Ｆｓ＝Ｃ・ｅＢ・Ｘ （３）
ｄＦｓ／ｄＸ＝Ｂ・Ｃ・ｅＢ・Ｘ （４）
【００１３】
しかしながら単一の部材から成るバネで、しかもこのような特殊な関数形で表現される特性を有するものを設計し製造することは非常に困難である。
【００１４】
そこで本発明は、見かけ上非線形な弾性係数を有するアクチュエータおよびリンク機構を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、負荷に引っ張り力を作用させるアクチュエータにおいて、直動可能に支持された基台と、前記基台に回転可能に支持された第１のプーリと、前記第１のプーリと一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第２のプーリと、前記負荷に接続され、前記第１のプーリが第１の回転方向に回転するときには前記第１のプーリに巻き取られ、前記第１のプーリが前記第１の回転方向と反対の第２の回転方向に回転するときには前記第１のプーリから繰り出されるように、前記第１のプーリの外周に巻き付けられた第１の接続部材と、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を巻き取るときには前記第２のプーリから繰り出され、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を繰り出すときには前記第２のプーリに巻き取られるように、前記第２のプーリの外周に巻き付けられた第２の接続部材と、前記基台に対して前記負荷と反対側に配置され、前記基台に連結された取付部材と、前記基台および前記取付部材を一体に直動させる駆動源と、一端が前記取付部材に接続され、他端が前記第２の接続部材に接続され、前記第２のプーリから前記第２の接続部材を繰り出すように前記第２の接続部材に引っ張り力を付勢する伸縮可能な弾性部材と、を備え、前記第１のプーリおよび前記第２のプーリは、前記第１のプーリおよび前記第２のプーリの回転中心から前記第１の接続部材の巻き取られている部分の終端までの距離Ｒ１と、前記回転中心から前記第２の接続部材の巻き取られている部分の終端までの距離Ｒ２との比Ｒ１／Ｒ２が、前記第１のプーリおよび前記第２のプーリの回転に応じて変化する形状に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、負荷に引っ張り力を作用させるアクチュエータにおいて、直動可能に支持された基台と、前記基台に回転可能に支持された第１の歯車と、前記基台に回転可能に支持され、前記第１の歯車と噛合する第２の歯車と、前記第１の歯車と一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第１のプーリと、前記第２の歯車と一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第２のプーリと、前記負荷に接続され、前記第１のプーリが第１の回転方向に回転するときには前記第１のプーリに巻き取られ、前記第１のプーリが前記第１の回転方向と反対の第２の回転方向に回転するときには前記第１のプーリから繰り出されるように、前記第１のプーリの外周に巻き付けられた第１の接続部材と、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を巻き取るときには前記第２のプーリから繰り出され、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を繰り出すときには前記第２のプーリに巻き取られるように、前記第２のプーリの外周に巻き付けられた第２の接続部材と、前記基台に対して前記負荷と反対側に配置され、前記基台に連結された取付部材と、前記基台および前記取付部材を一体に直動させる駆動源と、一端が前記取付部材に接続され、他端が前記第２の接続部材に接続され、前記第２のプーリから前記第２の接続部材を繰り出すように前記第２の接続部材に引っ張り力を付勢する伸縮可能な弾性部材と、を備え、前記第１の歯車および前記第２の歯車は、前記第２の歯車の回転中心から前記第１の歯車と前記第２の歯車との噛合位置までの距離Ｒ１２と、前記第１の歯車の回転中心から前記第１の歯車と前記第２の歯車との噛合位置までの距離Ｒ２１の比Ｒ１２／Ｒ２１が、前記第１の歯車および前記第２の歯車の回転に応じて変化する形状に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、弾性部材の弾性係数の可変比よりも大きい可変比となる、見かけ上非線形な弾性係数を有するアクチュエータを実現することができる。特に指数関数など特殊な関数形で表現される弾性特性を有するアクチュエータを容易に設計、製造することができる。また弾性係数の可変比を大きくした場合であっても弾性部材の変位量を大きくする必要がなく、アクチュエータの全長を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るアクチュエータを有するリンク機構の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの変位変換機構の構成を示す図である。
【図４】アクチュエータの動作を説明するための図であり、（ａ）は基台を駆動していない状態を示す図、（ｂ）は（ａ）の状態から第１のワイヤの出力端に外力が作用した場合を示す図である。（ｃ）は基台をＸｄだけ駆動した状態を示す図、（ｄ）は（ｃ）の状態から第１のワイヤの出力端に外力が作用した場合を示す図である。
【図５】アクチュエータの特性を示す図であり、（ａ）は変位変換機構がある場合を示す図、（ｂ）は変位変換機構がないと仮定した場合を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの変位変換機構の構成を示す図である。
【図８】アクチュエータの動作を説明するための図であり、（ａ）は基台を駆動していない状態を示す図、（ｂ）は（ａ）の状態から第１のワイヤの出力端に外力が作用した場合を示す図である。（ｃ）は基台をＸｄだけ駆動した状態を示す図、（ｄ）は（ｃ）の状態から第１のワイヤの出力端に外力が作用した場合を示す図である。
【図９】アクチュエータの特性を比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るアクチュエータを有するリンク機構の概略構成を示す図である。図１に示す３０は第１のリンクであり、この第１のリンク３０に関節３２を介して第２のリンク３１が旋回可能に支持されている。リンク機構１００は、第１のリンク３０と第２のリンク３１とに接続された一対のアクチュエータ１，１を備えている。本第１実施形態では、第２のリンク３１がアクチュエータ１により駆動される負荷である。２つのアクチュエータ１，１のうち、一方のアクチュエータが第１のアクチュエータ１ａ、他方のアクチュエータが第２のアクチュエータ１ｂであり、各アクチュエータ１ａ，１ｂは同一の構成である。第１の制御回路３３ａは、第２のリンク３１に作用させる第１のアクチュエータ１ａの引っ張り力（収縮力）を制御し、第２の制御回路３３ｂは、第２のリンク３１に作用させる第２のアクチュエータ１ｂの引っ張り力（収縮力）を制御する。
【００２１】
第１のアクチュエータ１ａと第２のアクチュエータ１ｂは、第１のリンク３０の両側に固定され、第１のアクチュエータ１ａの出力端Ｔｏ１と第２のアクチュエータ１ｂの出力端Ｔｏ２が拮抗するように第２のリンク３１に対して取付けられる。
【００２２】
ここで第１のアクチュエータ１ａが発生する収縮力をＵ１、第２のアクチュエータ１ｂが発生する収縮力をＵ２とする。また関節３２における回転中心から各アクチュエータ１ａ，１ｂの出力端Ｔｏ１，Ｔｏ２までの距離をｒ、第２のリンク３１の回転角をφとすると第２のリンク３１に作用する全トルクＴは次式（５）のようになる。
Ｔ＝（Ｕ１−Ｕ２）・ｒ−ｋ・（Ｕ１＋Ｕ２）・ｒ２・φ （５）
【００２３】
式（５）における右辺第１項は駆動トルク、第２項は弾性トルクである。駆動トルクが両アクチュエータ１ａ，１ｂの収縮力の差Ｕ１−Ｕ２に比例するのに対して、弾性トルクは第２のリンク３１の回転角φと両アクチュエータ１ａ，１ｂの収縮力の和Ｕ１＋Ｕ２に比例する。従って第１の制御回路３３ａおよび第２の制御回路３３ｂにより第１のアクチュエータ１ａの発生する収縮力Ｕ１と第２のアクチュエータ１ｂの発生する収縮力Ｕ２を別々に制御することにより、駆動トルクと剛性とを独立に調整することが可能となるのである。なお、第２のリンク３１は、駆動トルクが作用することにより関節３２で旋回する。また、第２のリンク３１は、弾性トルクが作用することにより剛性が付与される。
【００２４】
図２は、本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの構成を示す断面図である。アクチュエータ１は、筐体２と、筐体２に内蔵された駆動源３と、弾性部材として伸縮可能なバネ４と、変位変換機構５と、ガイド６と、バネ４の一端を取り付けるための取付部材１２とを有して構成される。ここで使用するバネ４は非線形な特性を有する必要はなく、弾性係数（バネ定数）が一定である線形特性を有する引っ張りコイルバネとする。
【００２５】
駆動源３は、筐体２内に固定された固定子１０と、固定子１０により矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に直線的に駆動される可動子１１から成る。駆動源３自体のバックドライバビリティは十分に低く、たとえ外力が可動子１１に作用しても逆駆動されないものとする。このような駆動源３として、超音波モータや減速比の大きな減速ギヤを組み合わせたモータを使用することができる。また回転型のモータを使用する場合には、回転運動を直線運動に変換するための機構を別途必要とする。このような機構は例えばネジとナット、ラックとピニオン、プーリとベルト（ワイヤ）、クランク機構等、既知の手段により構成できる。
【００２６】
可動子１１の先端には取付部材１２が取り付けられている。これにより、取付部材１２は、駆動源３の駆動により、矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に直線的に移動する。取付部材１２にはバネ４の一端Ｔ１、および支持部材１３の一端が接続されている。
【００２７】
変位変換機構５は、基台１４、第１のプーリ１６ａ、第２のプーリ１６ｂ、可撓性を有する第１の接続部材である第１のワイヤ１７ａ、および可撓性を有する第２の接続部材である第２のワイヤ１７ｂにより構成されている。なお、本実施形態では、接続部材としてワイヤを用いる場合について説明するが、ベルト等の可撓性を有する紐状の部材であればいずれでもよい。
【００２８】
基台１４は、バネ４の他端Ｔ２側に配置されており、支持部材１３の他端に接続されている。つまり、基台１４と、基台１４に対して負荷である第２のリンク３１（図１）側とは反対側に配置された取付部材１２とが支持部材１３により連結されている。つまり、バネ４が取付部材１２と基台１４との間に配置されている。そして、取付部材１２と基台１４とが連結されているので、基台１４およびバネ４は、駆動源３によって移動する取付部材１２と一体に移動する。
【００２９】
基台１４は、回転軸１５が正逆回転方向に回転可能な状態で回転軸１５を支持している。第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂは、基台１４に対して一体に回転するように回転軸１５に固定されている。つまり、第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂは、一体に回転可能に回転軸１５を介して基台１４に支持されている。なお、回転軸１５を基台１４に設けた場合について説明したが、基台に固定軸を固定し、第１のプーリおよび第２のプーリが固定軸まわりに一体に正逆回転方向に回転するように構成してもよい。
【００３０】
基台１４はガイド６によって案内されて移動方向が矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に規制されている。これにより基台１４は筐体２にガイド６を介して矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に直動可能に支持されている。そして、駆動源３はバネ４の一端Ｔ１とともに基台１４も一体的に矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に駆動する。
【００３１】
第１のワイヤ１７ａは、その一端である出力端Ｔｏが駆動源３とは逆方向に引き出され、負荷である第２のリンク３１（図１）に接続されている。また、第１のワイヤ１７ａは、その他端が第１のプーリ１６ａに接続されており、他端側から第１のプーリ１６ａの外周に巻き付けられている。第２のワイヤ１７ｂは、その一端が出力端Ｔｏとは逆方向（駆動源３側）に引き出され、バネ４の他端Ｔ２に接続されている。また、第２のワイヤ１７ｂは、その他端が第２のプーリ１６ｂに接続されており、他端側から第２のプーリ１６ｂの外周に巻き付けられている。
【００３２】
変位変換機構５の詳細を図３に示す。ここで、第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂの回転中心Ｑ（回転軸１５の中心）から第１のプーリ１６ａにおいて第１のワイヤ１７ａの巻き取られている部分の終端（巻回端）Ｓ１までの距離をＲ１とする。また、回転中心Ｑから第２のプーリ１６ｂにおいて第２のワイヤ１７ｂの巻き取られている部分の終端（巻回端）Ｓ２までの距離をＲ２とする。
【００３３】
第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂは、それらの外周が、距離Ｒ１と距離Ｒ２との比Ｒ１／Ｒ２が第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂの回転に応じて変化する形状に形成されている。
【００３４】
ここで、第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂのうち少なくとも一方のプーリの外周が、回転中心Ｑを中心とする断面渦巻形状に形成されているのがよい。本第１実施形態では、第２のプーリ１６ｂの外周が断面渦巻形状に形成され、第１のプーリ１６ａの外周が断面円形状に形成されている。従って、第１のプーリ１６ａの外周が断面円形状であるので、第１のワイヤ１７ａにおいて巻き取られている部分の終端（巻回端）Ｓ１と回転中心Ｑとの距離（回転半径）Ｒ１は一定である。これに対し、第２のプーリ１６ｂは、その回転角θが第２のワイヤ１７ｂを巻き取る方向に増大するに連れて第２のワイヤ１７ｂにおける巻き取られている部分の終端（巻回端）Ｓ２と回転中心Ｑとの距離（回転半径）Ｒ２が増大する螺旋形状である。つまり、第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂの外周は、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ１６ａから繰り出されるに連れて比Ｒ１／Ｒ２が小さくなる形状に形成されている。言い換えれば、第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂの外周は、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ１６ａに巻き付けられるに連れて比Ｒ１／Ｒ２が大きくなる形状に形成されている。
【００３５】
ここで、第１のワイヤ１７ａは、第１のプーリ１６ａが第１の回転方向Ａに回転するときには第１のプーリ１６ａに巻き取られ、第１のプーリ１６ａが第１の回転方向Ａと反対の第２の回転方向Ｂに回転するときには第１のプーリ１６ａから繰り出される。そして、第２のワイヤ１７ｂは、第１のワイヤ１７ａの巻き付け方向とは反対方向に第２のプーリ１６ｂに巻き付けられている。これにより、第２のプーリ１６ｂは、第１のプーリ１６ａと一体に第１の回転方向Ａに回転した際に第１のプーリ１６ａが第１のワイヤ１７ａを巻き取るときには、第２のワイヤ１７ｂを繰り出す。また、第２のプーリ１６ｂは、第１のプーリ１６ａと一体に第２の回転方向Ｂに回転した際に第１のプーリ１６ａが第１のワイヤ１７ａを繰り出すときには、第２のワイヤ１７ｂを巻き取る。
【００３６】
次にアクチュエータ１の動作について説明する。図４は、アクチュエータ１の動作を説明する図であり、主要部のみ示す。図５は、各動作状態における出力端Ｔｏの変位Ｘに対する出力Ｆの特性を示す図である。図５（ａ）において曲線Ｌｏ１およびＬｏ２で示すのは本実施形態によるアクチュエータ１の特性である。また比較のため、変位変換機構５が無くバネ４の他端Ｔ２を直接負荷である第２のリンク３１に接続したと仮定した場合の特性を直線Ｌｓで示す。この場合には出力Ｆはバネ４が発生する弾性力そのものとなる。
【００３７】
図４（ａ）は駆動源３がバネ４（基台１４）を駆動せず出力端Ｔｏからの出力Ｆは０であり、また出力端Ｔｏに外力の作用も無い状態を示している。つまり、引っ張りコイルバネであるバネ４は、自由長であり、第２のワイヤ１７ｂに引っ張り力は作用していない状態である。この時の出力端Ｔｏの位置Ｘを０（基準位置）とする。図５（ａ）においてはこの状態を動作位置Ｏ（０，０）で示す。そして、この状態でのプーリ１６ａ，１６ｂの回転角θを０度とする。
【００３８】
図４（ｂ）は図４（ａ）の状態から出力端Ｔｏに第１のワイヤ１７ａを繰り出す方向（矢印Ｘ−で示す方向）に外力が作用して出力端Ｔｏの位置Ｘが−Ｘｏ１に変位した状態を示している。この時、第１のプーリ１６ａが回転し、同時に第２のプーリ１６ｂも第１のプーリ１６ａと一体に回転するので、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ１６ａから繰り出される一方、第２のワイヤ１７ｂが第２のプーリ１６ｂに巻き取られる。その結果、第２のプーリ１６ｂに巻き取られた第２のワイヤ１７ｂによりバネ４の他端Ｔ２が牽引され、バネ４が−Ｘｓ１伸張する。このバネ４により、第２のプーリ１６ｂから第２のワイヤ１７ｂを繰り出す方向に第２のワイヤ１７ｂに引っ張り力である弾性力Ｆｓ１が付勢される。これにより出力端Ｔｏには外力に釣り合う出力（引っ張り力）Ｆｏ１が発生する。なおここでは図４における左方向の変位を正（＋）、右方向の変位を負（−）とする。本実施形態では、プーリ１６ａ，１６ｂは、０度以上３６０度未満の範囲で回転する。
【００３９】
次に変位変換機構５による変位と力の変換作用について説明する。図３に示した第１のプーリ１６ａの第１のワイヤ１７ａの巻回端Ｓ１における回転半径Ｒ１と、第２のプーリ１６ｂの第２のワイヤ１７ｂの巻回端Ｓ２における回転半径Ｒ２との比Ａ（θ）＝Ｒ１／Ｒ２はプーリ１６ａ，１６ｂの回転角θにより変化する。
【００４０】
ここで第１のワイヤ１７ａの微小変位をΔＸｏ、第２のワイヤ１７ｂの微小変位をΔＸｓとすると、ΔＸｏ＝Ａ（θ）・ΔＸｓなる関係が成り立つ。また第１のワイヤ１７ａに作用する張力をＦｏ、第２のワイヤ１７ｂに作用する張力をＦｓとするとＦｏ＝Ｆｓ／Ａ（θ）なる関係が成り立つ。従って第２のワイヤ１７ｂが接続されるバネ４の弾性係数をｋｓ、出力端Ｔｏにおける見かけの弾性係数をｋｏとすると次式（６）が成り立つ。
ｋｏ＝ｋｓ／Ａ（θ）２ （６）
【００４１】
これによりバネ４の弾性係数ｋｓが一定値であったとしても、回転角θの変化に伴う係数１／Ａ（θ）２の値の変化によって、非線形な変化をする弾性係数ｋｏを得ることができるのである。
【００４２】
図５（ａ）において直線Ｌｓで示す変位変換機構５が無い場合の特性は、このような変位変換機構５の変換作用によって、曲線Ｌｏ１で示す特性へと変換される。また図４（ｂ）の状態に対応したバネ４の動作位置Ｐｓ１（−Ｘｓ１，Ｆｓ１）は、出力端Ｔｏの動作位置Ｐｏ１（−Ｘｏ１，Ｆｏ１）へと変換される。
【００４３】
次に図４（ｃ）は図４（ａ）の状態（出力端Ｔｏに外力の作用が無い状態）から、駆動源３がバネ４の一端Ｔ１および基台１４を出力端Ｔｏとは逆方向（矢印Ｘ＋で示す方向）にＸｄだけ駆動し、出力端Ｔｏの位置ＸがＸｄへと変位した状態を示している。この状態ではバネ４の長さは図４（ａ）と同一で変化はなく、弾性力も発生しない。また第１のプーリ１６ａと第２のプーリ１６ｂは回転しない。
【００４４】
図５（ｂ）にこの状態における特性を示す。出力端Ｔｏにおける特性は図４（ａ）の状態を示す曲線Ｌｏ１からＸ軸方向にＸｄだけ平行移動した曲線Ｌｏ２で示す特性となる。またそれに伴い動作位置もＯ（０，０）からＰｏ２（Ｘｄ，０）へと移動する。つまり、駆動源３により取付部材１２および基台１４を移動させることで、バネ４の動作位置を変位させることができる。
【００４５】
次に図４（ｄ）は図４（ｃ）の状態から出力端Ｔｏに第１のワイヤ１７ａを繰り出す方向（矢印Ｘ−で示す方向）に外力が作用して−Ｘｏ１だけ変位し、出力端Ｔｏの位置ＸがＸｄ−Ｘｏ１となった状態を示している。この時、第１のプーリ１６ａが回転し、同時に第２のプーリ１６ｂも第１のプーリ１６ａと一体に回転するので、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ１６ａから繰り出される一方、第２のワイヤ１７ｂが第２のプーリ１６ｂに巻き取られる。その結果、第２のプーリ１６ｂに巻き取られた第２のワイヤ１７ｂによりバネ４の他端Ｔ２が牽引され、バネ４が−Ｘｓ１伸張し、バネ４により第２のワイヤ１７ｂには引っ張り力である弾性力Ｆｓ１が発生する。これにより出力端Ｔｏには外力に釣り合う出力Ｆｏ１が発生し、動作位置はＰｏ３（Ｘｄ−Ｘｏ１，Ｆｏ１）へと移動する。
【００４６】
本実施形態においては変換特性、即ち図５における曲線Ｌｏ１の形状は、第１のプーリ１６ａと第２のプーリ１６ｂ回転半径の比Ａ（θ）＝Ｒ１／Ｒ２で決まり、弾性係数の変換係数は式（６）で示したように１／Ａ（θ）２＝（Ｒ２／Ｒ１）２である。
【００４７】
このように変換特性をプーリ１６ａ，１６ｂの形状寸法のみで決定できるので、その設計および製造は非常に容易である。例えば弾性力が変位に対して所望の関数、例えば式（４）で示した非線形なバネの特性と同一の特性を実現するとした場合、出力端Ｔｏにおける見かけ上の弾性係数ｋｏは次式（７）のようになる。
ｋｏ＝Ｂ・Ｃ・ｅＢ・Ｘ （７）
【００４８】
上記の式（６）および式（７）よりＡ（θ）が次式（８）を満たすように第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂの回転半径Ｒ１およびＲ２を設計すればよいことになる。
Ａ（θ）＝｛ｋｓ／（Ｂ・Ｃ・ｅＢ・Ｘ）｝１／２ （８）
【００４９】
なお、本実施形態では、第１のプーリ１６ａの回転半径Ｒ１は回転角θによらず一定で、第２のプーリ１６ｂの回転半径Ｒ２のみが回転角θに応じて変化するものとしたが、これに限るものではない。上記の式（８）を満たすことができれば、回転半径Ｒ１、回転半径Ｒ２のいずれか、または両方が回転角θに応じて変化すればよい。つまり、本実施形態では、第１のプーリ１６ａの外周を渦巻形状に形成し、第２のプーリ１６ｂの外周を円形状に形成したが、第２のプーリ１６ｂの外周を渦巻形状に形成し、第１のプーリ１６ａを円形状および渦巻形状のいずれかの形状に形成してもよい。このように第１のプーリ１６ａおよび第２のプーリ１６ｂを形成することで、アクチュエータ１の見かけ上の弾性係数が指数関数の特性となる。またバネ４の特性が線形ではなく非線形の場合には、その特性も考慮した上でＡ（θ）を設計すればよい。
【００５０】
また本実施形態においては第２のプーリ１６ｂの回転に伴い、第２のワイヤ１７ｂの巻回端Ｓ２の位置は、第２のワイヤ１７ｂに対して垂直な方向（図３においては上下方向）に変位する。このためにバネ４および第２のワイヤ１７ｂは傾斜し、バネ４の伸張量にも影響を及ぼす。この傾斜は十分に小さければ無視しても差し支えないが、必要であればプーリ１６ｂの形状を、この傾斜の影響を補正するように設計しておくこともできる。
【００５１】
またアクチュエータ１の全ストロークに亘るＡ（θ）の平均値をＡａとすると、Ａａ＞１であればバネ４のストロークよりも出力端Ｔｏのストロークの方が大きく、変位変換機構５は同時に変位の拡大作用も持つことになる。本実施形態においては第１のプーリ１６ａの回転半径Ｒ１を第２のプーリ１６ｂの回転半径Ｒ２の最大値よりも大きくすることによってこの条件を満たすことができる。つまり、第１のプーリ１６ａにおける回転中心Ｑから外周までの距離Ｒ１が、第２のプーリ１６ｂにおける回転中心Ｑから外周までの距離Ｒ２よりも大きくなる形状に各プーリ１６ａ，１６ｂの外周が形成されている。その結果、アクチュエータ１の出力端Ｔｏに必要とされるストロークよりもバネ４のストロークが小さくなるので、バネ４自体の全長も短くできる。ひいてはアクチュエータ１全体の長さも短くすることができる。
【００５２】
さらに本実施形態においては、式（６）に示した通り、弾性係数の変換係数がＡ（θ）の２乗に逆比例するので、出力端Ｔｏにおける弾性係数ｋｏの可変比を大きくすることが容易である。例えば弾性係数ｋｏの可変比（最大値／最小値）を１０としたい場合には、Ａ（θ）の最大値／最小値は約３．２とすればよいのである。
【００５３】
以上、本実施形態では、バネ４の弾性係数ｋｓの可変比よりも大きい可変比となる、見かけ上非線形な弾性係数ｋｏを有するアクチュエータ１を実現することができる。特に指数関数など特殊な関数形で表現される弾性特性を有するアクチュエータ１を容易に設計、製造することができる。また弾性係数ｋｏの可変比を大きくした場合であってもバネ４の変位量を大きくする必要がなく、アクチュエータ１の全長を短くすることができる。
【００５４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るアクチュエータについて説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの構成を示す断面図である。図６に示すアクチュエータ１Ａは、筐体２と、駆動源３と、弾性部材としてのバネ４と、変位変換機構５Ａと、ガイド６とを有して構成される。アクチュエータ１Ａは、上記第１実施形態と同様に、リンク機構に用いられる。なお、本第２実施形態のアクチュエータ１Ａにおいて、変位変換機構５Ａ以外の構成については上記第１実施形態と同様の構成であるので、詳細な説明は省略する。
【００５５】
変位変換機構５Ａは、基台２０、第１のプーリ２２ａ、第２のプーリ２２ｂ、第１の歯車２３ａ、第２の歯車２３ｂ、第１の接続部材である第１のワイヤ１７ａおよび第２の接続部材である第２のワイヤ１７ｂにより構成されている。なお、本実施形態では、接続部材としてワイヤを用いる場合について説明するが、ベルト等の可撓性を有する紐状の部材であればいずれでもよい。
【００５６】
基台２０は、バネ４の他端Ｔ２側に配置されており、支持部材１３の他端に接続されている。つまり、基台２０と、基台２０に対して負荷である第２のリンク側とは反対側に配置された取付部材１２とが支持部材１３により連結されている。つまり、バネ４が取付部材１２と基台２０との間に配置されている。そして、取付部材１２と基台２０とが連結されているので、基台２０およびバネ４は、駆動源３によって移動する取付部材１２と一体に移動する。
【００５７】
基台２０は、第１の回転軸２１ａおよび第２の回転軸２１ｂが正逆回転方向に回転可能な状態で第１の回転軸２１ａおよび第２の回転軸２１ｂを支持している。第１のプーリ２２ａおよび第１の歯車２３ａは、基台１４に対して一体に回転するように第１の回転軸２１ａに固定されている。また、第２のプーリ２２ｂおよび第２の歯車２３ｂは、基台２０に対して一体に回転するように第２の回転軸２１ｂに固定されている。つまり、第１のプーリ２２ａおよび第１の歯車２３ａは、一体に回転可能に第１の回転軸２１ａを介して基台２０に支持されている。また、第２のプーリ２２ｂおよび第２の歯車２３ｂは、一体に回転可能に第２の回転軸２１ｂを介して基台２０に支持されている。そして、第１の歯車２３ａと第２の歯車２３ｂとは、各回転軸２１ａ，２１ｂを中心に回転可能な状態で噛み合っている。
【００５８】
なお、回転軸２１ａ，２１ｂを基台２０に設けた場合について説明したが、基台に第１の固定軸を固定し、第１のプーリおよび第１の歯車が第１の固定軸まわりに一体に正逆回転方向に回転するように構成してもよい。同様に、基台に第２の固定軸を固定し、第２のプーリおよび第２の歯車が第２の固定軸まわりに一体に正逆回転方向に回転するように構成してもよい。本実施形態では、第１のプーリ２２ａおよび第１の歯車２３ａは一体形成され、第２のプーリ２２ｂおよび第２の歯車２３ｂは一体形成されている。
【００５９】
基台２０はガイド６によって案内されて移動方向が矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に規制されている。これにより基台２０は筐体２にガイド６を介して矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に直動可能に支持されている。そして、駆動源３はバネ４の一端Ｔ１とともに基台２０も一体的に矢印Ｘ＋およびＸ−で示す方向に駆動する。
【００６０】
第１のワイヤ１７ａは、その一端である出力端Ｔｏが駆動源３とは逆方向に引き出され、負荷である第２のリンクに接続されている。また、第１のワイヤ１７ａは、その他端が第１のプーリ２２ａに接続されており、他端側から第１のプーリ２２ａの外周に巻き付けられている。第２のワイヤ１７ｂは、その一端が出力端Ｔｏとは逆方向（駆動源３側）に引き出され、バネ４の他端Ｔ２に接続されている。また、第２のワイヤ１７ｂは、その他端が第２のプーリ２２ｂに接続されており、他端側から第２のプーリ２２ｂの外周に巻き付けられている。
【００６１】
変位変換機構５Ａの詳細を図７に示す。ここで、第１の歯車２３ａの回転中心Ｑ１（第１の回転軸２１ａの中心）から第１の歯車２３ａと第２の歯車２３ｂとの噛合位置Ｓ２１までの距離をＲ２１とする。また、第２の歯車２３ｂの回転中心Ｑ２（第２の回転軸２１ｂの中心）から第１の歯車２３ａと第２の歯車２３ｂとの噛合位置Ｓ１２までの距離をＲ１２とする。
【００６２】
第１の歯車２３ａおよび第２の歯車２３ｂは、それらの外周が、距離Ｒ１２と距離Ｒ２１との比Ｒ１２／Ｒ１２が第１の歯車２３ａおよび第２の歯車２３ｂの回転に応じて変化する形状に形成されている。
【００６３】
ここで、第１の歯車２３ａおよび第２の歯車２３ｂの外周は、断面渦巻形状に形成されている。第１の歯車２３ａはその回転角θ１の増大とともに第２の歯車２３ｂとの噛合位置Ｓ２１と回転中心Ｑ１の距離（回転半径）Ｒ２１が増加する螺旋形状である。また第２の歯車２３ｂは回転角θ２の増大とともに第１の歯車２３ａとの噛合位置Ｓ１２と回転中心Ｑ２の距離（回転半径）Ｒ１２が減少する螺旋形状である。
【００６４】
一方、第１のプーリ２２ａは断面円形状であり、第１のワイヤ１７ａの巻回端Ｓ１１と回転中心Ｑ１の距離（回転半径）Ｒ１１は一定である。また、第２のプーリ２２ｂは断面円形状であり、第２のワイヤ１７ｂの巻回端Ｓ２２と回転中心Ｑ２の距離（回転半径）Ｒ２２は一定である。
【００６５】
そして、第１の歯車２３ａおよび第２の歯車２３ｂの外周は、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ２２ａから繰り出されるに連れて比Ｒ１２／Ｒ２１が小さくなる形状に形成されている。言い換えれば、第１の歯車２３ａおよび第２の歯車２３ｂの外周は、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ２２ａに巻き付けられるに連れて比Ｒ１２／Ｒ２１が大きくなる形状に形成されている。
【００６６】
ここで、第１のワイヤ１７ａは、第１のプーリ２２ａが第１の回転方向Ａに回転するときには第１のプーリ２２ａに巻き取られ、第１のプーリ２２ａが第１の回転方向Ａと反対の第２の回転方向Ｂに回転するときには第１のプーリ２２ａから繰り出される。
【００６７】
第１の歯車２３ａに噛み合う第２の歯車２３ｂは、第１の歯車２３ａとは反対方向に回転するので、第２のプーリ２２ｂは、第１のプーリ２２ａとは反対方向に回転する。第２のワイヤ１７ｂは、第１のワイヤ１７ａの巻き付け方向と同一の方向に第２のプーリ２２ｂに巻き付けられている。これにより、第２のワイヤ１７ｂは、第１のプーリ２２ａが第１の回転方向Ａに回転して第１のワイヤ１７ａを巻き取るときには、第１のプーリ２２ａと反対方向に回転する第２のプーリ２２ｂから繰り出される。また、第２のワイヤ１７ｂは、第１のプーリ２２ａが第２の回転方向Ｂに回転して第１のワイヤ１７ａを繰り出すときには、第１のプーリ２２ａと反対方向に回転する第２のプーリ２２ｂに巻き取られる。
【００６８】
次にアクチュエータ１Ａの動作について説明する。図８は、アクチュエータ１Ａの動作を説明する図であり、主要部のみ示す。なお、各動作状態における特性は上記第１実施形態と同様であり図５を参照しながら説明する。
【００６９】
図８（ａ）は駆動源３がバネ４を駆動せず出力端Ｔｏからの出力Ｆは０であり、また出力端Ｔｏに外力の作用も無い状態を示している。つまり、引っ張りコイルバネであるバネ４は、自由長であり、第２のワイヤ１７ｂに引っ張り力は作用していない状態である。この時の出力端Ｔｏの位置Ｘを０（基準位置）とする。図５（ａ）においてはこの状態を動作位置Ｏ（０，０）で示す。そして、この状態でのプーリ２２ａ，２２ｂの回転角θ１，θ２を０度とする。
【００７０】
図８（ｂ）は図８（ａ）の状態から出力端Ｔｏに第１のワイヤ１７ａを繰り出す方向（矢印Ｘ−で示す方向）に外力が作用して出力端Ｔｏの位置Ｘが−Ｘｏ１に変位した状態を示している。この時、第１のワイヤ１７ａを巻き付けた第１のプーリ２２ａと第１の歯車２３ａとが第２の回転方向Ｂに一体に回転する。同時に第１の歯車２３ａに噛み合う第２の歯車２３ｂとともに第２のプーリ２２ｂも、第１の歯車２３ａと反対方向に一体に回転する。これにより、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ２２ａから繰り出される一方、第２のワイヤ１７ｂが第２のプーリ２２ｂに巻き取られる。その結果、第２のプーリ２２ｂに巻き取られた第２のワイヤ１７ｂによりバネ４の他端Ｔ２が牽引され、バネ４が−Ｘｓ１伸張する。このバネ４により、第２のプーリ２２ｂから第２のワイヤ１７ｂを繰り出す方向に第２のワイヤ１７ｂに引っ張り力である弾性力Ｆｓ１が付勢される。これにより出力端Ｔｏには外力に釣り合う出力（引っ張り力）Ｆｏ１が発生する。なおここでは図８における左方向の変位を正（＋）、右方向の変位を負（−）とする。本実施形態では、プーリ２２ａ，２２ｂは、０度以上３６０度未満の範囲で回転する。
【００７１】
次に変位変換機構５による変位と力の変換作用について説明する。図７に示した第１のプーリ２２ａの第１のワイヤ１７ａの巻回端Ｓ１１における回転半径Ｒ１１と、噛合位置Ｓ２１における回転半径Ｒ２１の比Ａ１（θ１）＝Ｒ１１／Ｒ２１は、第１のプーリ２２ａと第１の歯車２３ａの回転角θ１により変化する。また噛合位置Ｓ１２における回転半径Ｒ１２と、第２のプーリ２２ｂの第２のワイヤ１７ｂの巻回端Ｓ２２における回転半径Ｒ２２の比Ａ２（θ２）＝Ｒ１２／Ｒ２２は、第２のプーリ２２ｂと第２の歯車２３ｂの回転角θ２により変化する。
【００７２】
ここで第１のワイヤ１７ａの微小変位をΔＸｏ、第２のワイヤ１７ｂの微小変位をΔＸｓとすると、ΔＸｏ＝Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２）・ΔＸｓなる関係が成り立つ。また第１のワイヤ１７ａに作用する張力をＦｏ、第２のワイヤ１７ｂに作用する張力をＦｓとするとＦｏ＝Ｆｓ／（Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２））なる関係が成り立つ。従ってバネ４の弾性係数をｋｓ、出力端Ｔｏにおける見かけの弾性係数をｋｏとすると次式（９）が成り立つ。
ｋｏ＝ｋｓ／（Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２））２ （９）
【００７３】
これによりバネ４の弾性係数ｋｓが一定値であったとしても、回転角θ１，θ２の変化に伴う係数１／（Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２））２の値の変化によって、非線形な変化をする弾性係数ｋｏを得ることができるのである。なお本実施形態においては第１のプーリ２２ａおよび第２のプーリ２２ｂは円形であって、距離Ｒ１１およびＲ２２は一定であるから、実際には第２の歯車２３ｂと第１の歯車２３ａの回転半径の比Ｒ１２／Ｒ２１のみが非線形な変換に寄与する。
【００７４】
図５（ａ）において直線Ｌｓで示す変位変換機構５が無い場合の特性は、このような変位変換機構５Ａの変換作用によって、曲線Ｌｏ１で示す特性へと変換される。また図８（ｂ）の状態に対応したバネ４の動作位置Ｐｓ１（−Ｘｓ１，Ｆｓ１）は、出力端Ｔｏの動作位置Ｐｏ１（−Ｘｏ１，Ｆｏ１）へと変換される。
【００７５】
次に図８（ｃ）は図８（ａ）の状態（出力端Ｔｏに外力の作用が無い状態）から、駆動源３がバネ４の一端Ｔ１および基台２０を出力端Ｔｏとは逆方向（矢印Ｘ＋で示す方向）にＸｄだけ駆動し、出力端Ｔｏの位置ＸがＸｄへと変位した状態を示している。この状態ではバネ４の長さは図８（ａ）と同一で変化はなく、弾性力も発生しない。また第１のプーリ２２ａと第２のプーリ２２ｂは回転しない。
【００７６】
図５（ｂ）にこの状態における特性を示す。出力端Ｔｏにおける特性は図８（ａ）の状態を示す曲線Ｌｏ１からＸ軸方向にＸｄだけ平行移動した曲線Ｌｏ２で示す特性となる。またそれに伴い動作位置もＯ（０，０）からＰｏ２（Ｘｄ，０）へと移動する。つまり、駆動源３により取付部材１２および基台２０を移動させることで、バネ４の動作位置を変位させることができる。
【００７７】
次に図８（ｄ）は図８（ｃ）の状態から出力端Ｔｏに第１のワイヤ１７ａを繰り出す方向（矢印Ｘ−で示す方向）に外力が作用して−Ｘｏ１だけ変位し、出力端Ｔｏの位置ＸがＸｄ−Ｘｏ１となった状態を示している。この時、第１のプーリ２２ａが回転し、同時に第１の歯車２３ａおよびそれに噛み合う第２の歯車と第２のプーリ２２ｂも一体に回転する。したがって、第１のワイヤ１７ａが第１のプーリ２２ａから繰り出される一方、第２のワイヤ１７ｂが第２のプーリ２２ｂに巻き取られる。その結果、第２のプーリ２２ｂに巻き取られた第２のワイヤ１７ｂによりバネ４の他端Ｔ２が牽引され、バネ４が−Ｘｓ１伸張し、バネ４により第２のワイヤ１７ｂには引っ張り力である弾性力Ｆｓ１が発生する。これにより出力端Ｔｏには外力に釣り合う出力Ｆｏ１が発生し、動作位置はＰｏ３（Ｘｄ−Ｘｏ１，Ｆｏ１）へと移動する。
【００７８】
本実施形態においては変換特性、即ち図５における曲線Ｌｏ１の形状は各プーリと各歯車の回転半径の比Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２）＝（Ｒ１１・Ｒ１２）／（Ｒ２１・Ｒ２２）で決まる。弾性係数の変換係数は式（９）で示したように１／（Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２））２＝（Ｒ２１・Ｒ２２）２／（Ｒ１１・Ｒ１２）２である。
【００７９】
このように変換特性を歯車２３ａ，２３ｂの形状寸法のみで決定できるので、その設計および製造は非常に容易である。例えば弾性力が変位に対して所望の関数、例えば式（４）で示した非線形なバネの特性と同一の特性を実現するとした場合、出力端Ｔｏにおける見かけ上の弾性係数ｋｏは次式（１０）のようになる。
ｋｏ＝Ｂ・Ｃ・ｅＢ・Ｘ （１０）
【００８０】
以上の式（９）および式（１お）よりＡ１（θ１）およびＡ２（θ２）が次式（１１）を満たすように第１のプーリ２２ａ、第１の歯車２３ａ、第２のプーリ２２ｂ、第２の歯車２３ｂの回転半径Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ１２を設計すればよいことになる。
Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２）＝｛ｋｓ／（Ｂ・Ｃ・ｅＢ・Ｘ）｝１／２ （１１）
【００８１】
なお本実施形態では、第１のプーリ２２ａの回転半径Ｒ１１と第２のプーリ２２ｂの回転半径Ｒ２２は一定であるので、回転角θ１、θ２に応じて変化する必要があるのは第１の歯車２３ａの回転半径Ｒ２１と第２の歯車２３ｂの回転半径Ｒ１２のみである。ただし第１の歯車２３ａと第２の歯車２３ｂが噛み合うためにはＲ１２＋Ｒ２１は一定でなければならない。即ちＲ１２＋Ｒ２１＝一定という条件下で比Ｒ１２／Ｒ２１を設計すればよいことになる。またバネ４が線形ではなく非線形の場合には、その特性も考慮した上でＡ１（θ１）・Ａ２（θ２）を設計すればよい。
【００８２】
またアクチュエータ１Ａの全ストロークに亘るＡ１（θ１）・Ａ２（θ２）の平均値をＡａとすると、Ａａ＞１であればバネ４のストロークよりも出力端Ｔｏのストロークの方が大きく、変位変換機構５Ａは同時に変位の拡大作用も持つことになる。本実施形態においては第１のプーリ２２ａの回転半径Ｒ１１を第２のプーリ２２ｂの回転半径Ｒ２２よりも大きくすることによってこの条件を満たすことができる。つまり、第１のプーリ２２ａにおける回転中心Ｑ１から外周までの距離Ｒ１１が、第２のプーリ２２ｂにおける回転中心Ｑ２から外周までの距離Ｒ２２よりも大きくなる形状に各プーリ２２ａ，２２ｂの外周が形成されている。その結果、アクチュエータ１Ａの出力端Ｔｏに必要とされるストロークよりもバネ４のストロークが小さくなるので、バネ４自体の全長も短くできる。ひいてはアクチュエータ１Ａ全体の長さも短くすることができる。
【００８３】
さらに本実施形態においては式（９）に示した通り、弾性係数の変換係数がＡ１（θ１）・Ａ２（θ２）の２乗に逆比例するので、出力端Ｔｏにおける弾性係数ｋｏの可変比を大きくすることが容易である。例えば弾性係数ｋｏの可変比（最大値／最小値）を１０としたい場合には、Ａ１（θ１）・Ａ２（θ２）の最大値／最小値は約３．２とすればよいのである。
【００８４】
以上、本実施形態では、バネ４の弾性係数ｋｓの可変比よりも大きい可変比となる、見かけ上非線形な弾性係数ｋｏを有するアクチュエータ１Ａを実現することができる。特に指数関数など特殊な関数形で表現される弾性特性を有するアクチュエータ１Ａを容易に設計、製造することができる。また弾性係数ｋｏの可変比を大きくした場合であってもバネ４の変位量を大きくする必要がなく、アクチュエータ１Ａの全長を短くすることができる。
【００８５】
なお、上記第１実施形態、第２実施形態ともに駆動源３はバネ４の一端Ｔ１を駆動する時、基台１４または２０も一体的に駆動する必要がある。仮に駆動源３がバネ４の一端Ｔ１のみを駆動し、基台１４または２０を駆動しないとすると、図４（ｃ），図４（ｄ）または図８（ｃ），図８（ｄ）に示した動作において、駆動によってバネ４の発生する弾性力がオフセットとして加わるのみである。したがって、図５（ｂ）に曲線Ｌｏ１で示した出力端Ｔｏの特性はＦ軸方向に平行移動し、必要とするＸ軸方向への平行移動を生じないからである。
【００８６】
以上説明したように、第１，第２実施形態によるアクチュエータは使用するバネの特性が線形（バネ定数が一定）であっても、非線形な特性を有する変位変換機構と組み合わせたことによって、出力端においては見かけ上非線形な弾力特性を実現することができる。
【００８７】
ここで上記アクチュエータ１，１Ａの特性と、上記の式（２）で表される特性との比較を行う。図９（ａ）は、アクチュエータ１，１Ａの出力Ｆの特性を示す図である。変位変換機構５，５Ａにより得られた特性を駆動源３により任意の量、駆動して平行移動させ、曲線群Ｌｏで示す特性を得ることができ、これらの曲線群Ｌｏ上の任意の位置を動作位置とすることができる。ここで各曲線群ＬｏのＦ軸との交点（Ｘ＝０）における値が式（２）における収縮力Ｕに相当し、動作位置における傾きが弾性係数ｋｏに相当する。同様に図９（ｂ）には上記の式（２）において、収縮力Ｕを変化させた場合の出力Ｆの特性を直線群Ｌｍで示す。
【００８８】
ここで実用上必要とされる動作範囲が、矩形領域Ｘｍｉｎ≦Ｘ≦Ｘｍａｘ、０≦Ｆ≦Ｆｍａｘの範囲であるものとし、この動作範囲における特性を比較する。図９（ａ）、図９（ｂ）において収縮力Ｕの増大にともない、弾性係数も増大するという特徴は一致する。特に前述したように弾性係数ｋｏが変位Ｘの指数関数で表されるような特性とした場合には、任意のＸの値において、弾性係数ｋｏは収縮力Ｕに比例するので、ほぼ式（２）で表されるものと同じ特性が実現できるのである。
【００８９】
またアクチュエータ１，１Ａの出力Ｆの特性は、変位Ｘに対して線形ではない点が、式（２）で表された特性とは異なるが、Ｘｍｉｎ≦Ｘ≦Ｘｍａｘの範囲で十分に変化が緩やかであれば実用上問題はない。
【符号の説明】
【００９０】
１，１Ａ…アクチュエータ、３…駆動源、４…バネ、１２…取付部材、１４…基台、１６ａ…第１のプーリ、１６ｂ…第２のプーリ、１７ａ…第１のワイヤ、１７ｂ…第２のワイヤ、２０…基台、２２ａ…第１のプーリ、２２ｂ…第２のプーリ、２３ａ…第１の歯車、２３ｂ…第２の歯車、３０…第１のリンク、３１…第２のリンク、３２…関節、１００…リンク機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に引っ張り力を作用させるアクチュエータにおいて、
直動可能に支持された基台と、
前記基台に回転可能に支持された第１のプーリと、
前記第１のプーリと一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第２のプーリと、
前記負荷に接続され、前記第１のプーリが第１の回転方向に回転するときには前記第１のプーリに巻き取られ、前記第１のプーリが前記第１の回転方向と反対の第２の回転方向に回転するときには前記第１のプーリから繰り出されるように、前記第１のプーリの外周に巻き付けられた第１の接続部材と、
前記第１のプーリが前記第１の接続部材を巻き取るときには前記第２のプーリから繰り出され、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を繰り出すときには前記第２のプーリに巻き取られるように、前記第２のプーリの外周に巻き付けられた第２の接続部材と、
前記基台に対して前記負荷と反対側に配置され、前記基台に連結された取付部材と、
前記基台および前記取付部材を一体に直動させる駆動源と、
一端が前記取付部材に接続され、他端が前記第２の接続部材に接続され、前記第２のプーリから前記第２の接続部材を繰り出すように前記第２の接続部材に引っ張り力を付勢する伸縮可能な弾性部材と、を備え、
前記第１のプーリおよび前記第２のプーリは、前記第１のプーリおよび前記第２のプーリの回転中心から前記第１の接続部材の巻き取られている部分の終端までの距離Ｒ１と、前記回転中心から前記第２の接続部材の巻き取られている部分の終端までの距離Ｒ２との比Ｒ１／Ｒ２が、前記第１のプーリおよび前記第２のプーリの回転に応じて変化する形状に形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記第１のプーリおよび前記第２のプーリは、前記第１の接続部材が前記第１のプーリから繰り出されるに連れて前記比Ｒ１／Ｒ２が小さくなる形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
負荷に引っ張り力を作用させるアクチュエータにおいて、
直動可能に支持された基台と、
前記基台に回転可能に支持された第１の歯車と、
前記基台に回転可能に支持され、前記第１の歯車と噛合する第２の歯車と、
前記第１の歯車と一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第１のプーリと、
前記第２の歯車と一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第２のプーリと、
前記負荷に接続され、前記第１のプーリが第１の回転方向に回転するときには前記第１のプーリに巻き取られ、前記第１のプーリが前記第１の回転方向と反対の第２の回転方向に回転するときには前記第１のプーリから繰り出されるように、前記第１のプーリの外周に巻き付けられた第１の接続部材と、
前記第１のプーリが前記第１の接続部材を巻き取るときには前記第２のプーリから繰り出され、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を繰り出すときには前記第２のプーリに巻き取られるように、前記第２のプーリの外周に巻き付けられた第２の接続部材と、
前記基台に対して前記負荷と反対側に配置され、前記基台に連結された取付部材と、
前記基台および前記取付部材を一体に直動させる駆動源と、
一端が前記取付部材に接続され、他端が前記第２の接続部材に接続され、前記第２のプーリから前記第２の接続部材を繰り出すように前記第２の接続部材に引っ張り力を付勢する伸縮可能な弾性部材と、を備え、
前記第１の歯車および前記第２の歯車は、前記第２の歯車の回転中心から前記第１の歯車と前記第２の歯車との噛合位置までの距離Ｒ１２と、前記第１の歯車の回転中心から前記第１の歯車と前記第２の歯車との噛合位置までの距離Ｒ２１の比Ｒ１２／Ｒ２１が、前記第１の歯車および前記第２の歯車の回転に応じて変化する形状に形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
前記第１の歯車および前記第２の歯車は、前記第１の接続部材が前記第１のプーリから繰り出されるに連れて前記比Ｒ１２／Ｒ２１が小さくなる形状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記第１のプーリおよび前記第２のプーリは、前記第１のプーリにおける回転中心から外周までの距離が前記第２のプーリにおける回転中心から外周までの距離よりも大きくなる形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
第１のリンクと、
前記第１のリンクの一端に関節を介して旋回可能に支持された第２のリンクと、
前記第１のリンクと前記第２のリンクとに接続され、引っ張り力の差により前記第２のリンクを旋回させる一対の請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアクチュエータと、を備えたことを特徴とするリンク機構。
【請求項１】
負荷に引っ張り力を作用させるアクチュエータにおいて、
直動可能に支持された基台と、
前記基台に回転可能に支持された第１のプーリと、
前記第１のプーリと一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第２のプーリと、
前記負荷に接続され、前記第１のプーリが第１の回転方向に回転するときには前記第１のプーリに巻き取られ、前記第１のプーリが前記第１の回転方向と反対の第２の回転方向に回転するときには前記第１のプーリから繰り出されるように、前記第１のプーリの外周に巻き付けられた第１の接続部材と、
前記第１のプーリが前記第１の接続部材を巻き取るときには前記第２のプーリから繰り出され、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を繰り出すときには前記第２のプーリに巻き取られるように、前記第２のプーリの外周に巻き付けられた第２の接続部材と、
前記基台に対して前記負荷と反対側に配置され、前記基台に連結された取付部材と、
前記基台および前記取付部材を一体に直動させる駆動源と、
一端が前記取付部材に接続され、他端が前記第２の接続部材に接続され、前記第２のプーリから前記第２の接続部材を繰り出すように前記第２の接続部材に引っ張り力を付勢する伸縮可能な弾性部材と、を備え、
前記第１のプーリおよび前記第２のプーリは、前記第１のプーリおよび前記第２のプーリの回転中心から前記第１の接続部材の巻き取られている部分の終端までの距離Ｒ１と、前記回転中心から前記第２の接続部材の巻き取られている部分の終端までの距離Ｒ２との比Ｒ１／Ｒ２が、前記第１のプーリおよび前記第２のプーリの回転に応じて変化する形状に形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記第１のプーリおよび前記第２のプーリは、前記第１の接続部材が前記第１のプーリから繰り出されるに連れて前記比Ｒ１／Ｒ２が小さくなる形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
負荷に引っ張り力を作用させるアクチュエータにおいて、
直動可能に支持された基台と、
前記基台に回転可能に支持された第１の歯車と、
前記基台に回転可能に支持され、前記第１の歯車と噛合する第２の歯車と、
前記第１の歯車と一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第１のプーリと、
前記第２の歯車と一体に回転するように前記基台に回転可能に支持された第２のプーリと、
前記負荷に接続され、前記第１のプーリが第１の回転方向に回転するときには前記第１のプーリに巻き取られ、前記第１のプーリが前記第１の回転方向と反対の第２の回転方向に回転するときには前記第１のプーリから繰り出されるように、前記第１のプーリの外周に巻き付けられた第１の接続部材と、
前記第１のプーリが前記第１の接続部材を巻き取るときには前記第２のプーリから繰り出され、前記第１のプーリが前記第１の接続部材を繰り出すときには前記第２のプーリに巻き取られるように、前記第２のプーリの外周に巻き付けられた第２の接続部材と、
前記基台に対して前記負荷と反対側に配置され、前記基台に連結された取付部材と、
前記基台および前記取付部材を一体に直動させる駆動源と、
一端が前記取付部材に接続され、他端が前記第２の接続部材に接続され、前記第２のプーリから前記第２の接続部材を繰り出すように前記第２の接続部材に引っ張り力を付勢する伸縮可能な弾性部材と、を備え、
前記第１の歯車および前記第２の歯車は、前記第２の歯車の回転中心から前記第１の歯車と前記第２の歯車との噛合位置までの距離Ｒ１２と、前記第１の歯車の回転中心から前記第１の歯車と前記第２の歯車との噛合位置までの距離Ｒ２１の比Ｒ１２／Ｒ２１が、前記第１の歯車および前記第２の歯車の回転に応じて変化する形状に形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
前記第１の歯車および前記第２の歯車は、前記第１の接続部材が前記第１のプーリから繰り出されるに連れて前記比Ｒ１２／Ｒ２１が小さくなる形状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記第１のプーリおよび前記第２のプーリは、前記第１のプーリにおける回転中心から外周までの距離が前記第２のプーリにおける回転中心から外周までの距離よりも大きくなる形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
第１のリンクと、
前記第１のリンクの一端に関節を介して旋回可能に支持された第２のリンクと、
前記第１のリンクと前記第２のリンクとに接続され、引っ張り力の差により前記第２のリンクを旋回させる一対の請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアクチュエータと、を備えたことを特徴とするリンク機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１５４４１２（Ｐ２０１２−１５４４１２Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３７７７（Ｐ２０１１−１３７７７）
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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