特許 6963310 アクチュエータ及びアクチュエータの動作制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6963310

(24)【登録日】2021年10月19日

(45)【発行日】2021年11月5日

(54)【発明の名称】アクチュエータ及びアクチュエータの動作制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02K 7/10 20060101AFI20211025BHJP

   H02K 7/11 20060101ALI20211025BHJP

   H02K 7/116 20060101ALI20211025BHJP

   F16H 33/02 20060101ALI20211025BHJP

   B25J 17/00 20060101ALI20211025BHJP

【ＦＩ】

   H02K7/10 C

   H02K7/11

   H02K7/116

   F16H33/02 B

   B25J17/00 Z

【請求項の数】8

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2018-535629(P2018-535629)

(86)(22)【出願日】2017年8月17日

(86)【国際出願番号】JP2017029550

(87)【国際公開番号】WO2018037995

(87)【国際公開日】20180301

【審査請求日】2020年7月31日

(31)【優先権主張番号】特願2016-162097(P2016-162097)

(32)【優先日】2016年8月22日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】899000079

【氏名又は名称】学校法人慶應義塾

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(72)【発明者】

【氏名】桂 誠一郎

(72)【発明者】

【氏名】三浦 一将

【審査官】 三島木 英宏

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１５／１１８６４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０８−０６５９５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ７／１０

Ｈ０２Ｋ ７／１１

Ｈ０２Ｋ ７／１１６

Ｆ１６Ｈ ３３／０２

Ｂ２５Ｊ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の減速機構を有し、出力動作を行う出力部に対する駆動力を発生する力／トルク源と、
前記力／トルク源によって発生された前記駆動力の伝達経路に設置され、前記駆動力の前記出力部へのギアを介した伝達を制御する伝達制御機構と、
前記駆動力の伝達経路において、前記伝達制御機構が前記駆動力の前記出力部への伝達を制御する点に対し、前記力／トルク源側の位置に一端を連結され、前記出力部側の位置に他端を連結され、前記力／トルク源の出力により弾性エネルギを蓄積する第１の弾性部材と、
を備え、
前記伝達制御機構は、前記出力部の一方向及び逆方向への動作において、前記力／トルク源の駆動力を前記ギアを介して伝達すると共に、前記出力部に対する前記逆方向への外力が入力された場合に、前記出力部への前記ギアを介した前記駆動力の伝達を抑制し、
前記出力部は、前記伝達制御機構によって前記出力部への前記ギアを介した前記駆動力の伝達が抑制された場合に、前記第１の弾性部材に蓄積された前記弾性エネルギにより前記逆方向へ動作するバックドライバビリティを有することを特徴とするアクチュエータ。

【請求項2】

前記出力部は、前記第１の弾性部材に蓄積された前記弾性エネルギにより、前記力／トルク源の最高動作速度以上のバックドライバビリティで動作す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】

前記第１の弾性部材は、前記力／トルク源の筐体または当該筐体が固定された部分に前記一端を連結され、前記出力部と一体に出力動作を行う部分に前記他端を連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。

【請求項4】

前記力／トルク源の筐体はフランジ部を有し、
前記出力部は前記フランジ部のフランジ面に対向する対向部を有し、
前記第１の弾性部材は、前記フランジ部のフランジ面に前記一端を連結され、前記対向部に前記他端を連結されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。

【請求項5】

前記力／トルク源と、前記伝達制御機構と、前記出力部とは、直列に接続され、
前記第１の弾性部材は、前記フランジ部と前記対向部とに挟まれた部分において、前記伝達制御機構の周囲に複数設置されていることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。

【請求項6】

前記伝達制御機構と前記出力部との間に、第２の減速機構をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。

【請求項7】

前記伝達制御機構の入力部側に一端を連結され、前記伝達制御機構の出力部側に他端を連結された第２の弾性部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。

【請求項8】

減速機構を有し、出力動作を行う出力部に対する駆動力を発生する力／トルク源と、前記力／トルク源によって発生された前記駆動力の伝達経路に設置され、前記駆動力の前記出力部へのギアを介した伝達を制御する伝達制御機構と、を備えるアクチュエータの動作制御方法であって、
前記力／トルク源が前記出力部を駆動する動作によって、弾性部材に弾性エネルギを蓄積し、
前記伝達制御機構は、前記出力部の一方向及び逆方向への動作において、前記力／トルク源の駆動力を前記ギアを介して伝達すると共に、前記出力部に対する前記逆方向への外力が入力された場合に、前記出力部への前記ギアを介した前記駆動力の伝達を抑制し、
前記出力部は、前記伝達制御機構によって前記出力部への前記ギアを介した前記駆動力の伝達が抑制された場合に、前記弾性部材に蓄積された前記弾性エネルギにより前記逆方向へ動作するバックドライバビリティを有することを特徴とするアクチュエータの動作制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アクチュエータ及びアクチュエータの動作制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、マニピュレータやロボット用に用いることを目的としたアクチュエータの開発が行われている。
このようなアクチュエータには、高速・高トルク・小型軽量・高バックドライバビリティという特性が要求される。
ここで、小型軽量・高トルクを実現するために、減速機を用いたアクチュエータが知られているが、減速機を用いることで、アクチュエータのバックドライバビリティが著しく劣化することとなる。
そこで、ギヤードモータの出力軸にバネやダンパ、クラッチ等の機械部品を連結させた直列弾性アクチュエータが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
この直列弾性アクチュエータは、省エネルギ化及び高バックドライバビリティ化の実現を図るものである。
また、クラッチを連結させたアクチュエータ（例えば、非特許文献２参照）や、バネ及びクラッチを両方利用したアクチュエータ（例えば、非特許文献３参照）等も提案されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Ｇ．Ｐｒａｔｔ ａｎｄ Ｍ．Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ， “Ｓｅｒｉｅｓ ｅｌａｓｔｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒｓ，“ ｉｎ Ｐｒｏｃ． １９９５ ＩＥＥＥ／ＲＳＪ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ｖｏｌ．１，Ａｕｇ．１９９５，ｐｐ．３９９−４０６．

【非特許文献2】Ｎ．Ｌａｕｚｉｅｒ ａｎｄ Ｃ．Ｇｏｓｓｅｌｉｎ， “Ｓｅｒｉｅｓ ｃｌｕｔｃｈ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｓａｆｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｈｕｍａｎ−ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，” ｉｎ Ｐｒｏｃ． ２０１１ ＩＥＥＥ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｍａｙ ２０１１， ｐｐ．５４０１−５４０６．

【非特許文献3】Ｄ．Ｆ．Ｂ． Ｈａｅｕｆｌｅ， Ｍ．Ｄ．Ｔａｙｌｏｒ， Ｓ．Ｓｃｈｍｉｔｔ， ａｎｄ Ｈ．Ｇｅｙｅｒ， “Ａ ｃｌｕｔｃｈｅｄ ｐａｒａｌｌｅｌ ｅｌａｓｔｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ Ｃｏｎｃｅｐｔ： Ｔｏｗａｒｄｓ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｐｏｗｅｒｅｄ ｌｅｇｓ ｉｎ ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃｓ ａｎｄ ｒｏｂｏｔｉｃｓ，” ｉｎ Ｐｒｏｃ． ４ｔｈ ＩＥＥＥ ＲＡＳ ＥＭＢＳ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ｂｉｏｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ， ２０１２， Ｊｕｎ． ２０１２， ｐｐ． １６１４−１６１９．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、非特許文献１〜３に記載された技術を含め、従来の技術においては、減速機により劣化したバックドライバビリティの回復や省エネルギ化を主眼として、バネやクラッチの連結が行われている。一方、減速機を備えることにより、バックドライバビリティの低下のみならず、アクチュエータの最高回転数の低下も同時に引き起こされる。
したがって、減速機を備える従来のアクチュエータにおいては、高速な動作の実現が困難であった。

【0005】

本発明は、減速機を備えるアクチュエータにおいて、より高速な動作を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るアクチュエータは、
第１の減速機構を有し、出力動作を行う出力部に対する駆動力を発生する力／トルク源と、
前記力／トルク源によって発生された前記駆動力の伝達経路に設置され、前記駆動力の前記出力部への伝達を制御する伝達制御機構と、
前記駆動力の伝達経路において、前記伝達制御機構が前記駆動力の前記出力部への伝達を制御する点に対し、前記力／トルク源側の位置に一端を連結され、前記出力部側の位置に他端を連結された第１の弾性部材と、
を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、減速機を備えるアクチュエータにおいて、より高速な動作を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の基本的原理を示すブロック図である。

【図2】バックドライバビリティのボード線図を示す図である。

【図3】本発明のアクチュエータの機能的構成を示すブロック図である。

【図4】第１実施形態に係るアクチュエータの装置構成例を示す外観図である。

【図5A】弾性部材による弾性力の入力に対するクラッチの出力軸の動きについて、図４のアクチュエータと、ギヤードモータ単体とで評価実験を行った結果を示す図である。

【図5B】弾性部材による弾性力の入力に対するクラッチの出力軸の動きについて、図４のアクチュエータと、ギヤードモータ単体とで評価実験を行った結果を示す図である。

【図5C】弾性部材による弾性力の入力に対するクラッチの出力軸の動きについて、図４のアクチュエータと、ギヤードモータ単体とで評価実験を行った結果を示す図である。

【図6】第２実施形態に係るアクチュエータの装置構成例を示す外観図である。

【図7】図１の構成を有するアクチュエータの出力軸に減速機をさらに備える構成を示すブロック図である。

【図8】図１の構成を有するアクチュエータにおいて、クラッチの入力軸と出力軸とに連結された弾性部材をさらに備える構成を示すブロック図である。

【図9A】アクチュエータが通常の動作（ギヤードモータによる出力軸の回転駆動）を停止したときにクラッチの締結力を変化させた場合のクラッチの出力軸の動きを示す模式図である。

【図9B】アクチュエータが通常の動作（ギヤードモータによる出力軸の回転駆動）を停止したときにクラッチの締結力を変化させた場合のクラッチの出力軸の動きを示す模式図である。

【図10】アクチュエータの出力として直動動作を行う場合の構成例を示すブロック図である。

【図11A】アクチュエータによって、多自由度を有するパラレル機構を構成する場合の構成例を示す模式図である。

【図11B】アクチュエータによって、多自由度を有するパラレル機構を構成する場合の構成例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
初めに、本発明に係るアクチュエータ及びアクチュエータの動作制御方法に適用される基本的原理について説明する。

【0010】

［基本的原理］
図１は、本発明の基本的原理を示すブロック図である。
図１に示すように、本発明に係るアクチュエータ１は、ギヤードモータ１０と、クラッチ２０と、弾性部材３０とを備えている。

【0011】

ギヤードモータ１０は、筐体１０ａを支持部Ｂに固定され、出力軸１０ｂを回転する駆動力を発生する。また、ギヤードモータ１０は、回転速度及び回転トルクを変化させる減速機を内蔵しており、出力軸１０ｂには減速機を介してギヤードモータ１０の出力が伝達される。

【0012】

クラッチ２０は、ギヤードモータ１０の出力軸１０ｂを入力軸２０ａとし、この入力軸２０ａと出力軸２０ｂとの締結の状態を変化させる。具体的には、クラッチ２０は、電磁クラッチ、パウダクラッチ、機能性流体クラッチ、ピエゾクラッチ等の動力伝達装置によって構成され、入力軸２０ａと出力軸２０ｂとの締結力を制御する。なお、以下の説明において、クラッチ２０は電磁クラッチによって構成されているものとする。

【0013】

弾性部材３０は、コイルばね（引っ張りばね）、トルクばね、圧縮ばね、定荷重ばね等の弾性力を発生させる部材によって構成され、一端をギヤードモータ１０の筐体１０ａ側に連結されていると共に、他端をクラッチ２０の出力軸２０ｂ側に連結されている。ここで、ギヤードモータ１０の筐体１０ａ側とは、支持部Ｂ等を含む筐体１０ａと一体に固定されている部分である。また、クラッチ２０の出力軸２０ｂ側とは、ギヤードモータ１０によって発生された駆動力の伝達経路において、クラッチ２０の締結力制御点よりも末端側であって、出力軸２０ｂと共に回転する部分である。なお、以下の説明において、弾性部材３０は、コイルばねによって構成されているものとする。

【0014】

このような構成により、本発明に係るアクチュエータ１は、以下のように動作する。
即ち、クラッチ２０が入力軸２０ａと出力軸２０ｂとを連結（固定）した状態でギヤードモータ１０が出力軸１０ｂを回転させると、出力軸１０ｂ（入力軸２０ａ）及び出力軸２０ｂが一体となって回転する。
このとき、ギヤードモータ１０が減速機を備えていることから、高トルクでの駆動が可能である。

【0015】

また、弾性部材３０の一端がギヤードモータ１０の筐体１０ａ側に連結され、他端がクラッチ２０の出力軸２０ｂ側に連結されていることから、ギヤードモータ１０による出力軸１０ｂの回転に伴い、弾性部材３０は、その回転を妨げる方向の弾性力を発生すると共に、ギヤードモータ１０の回転トルクに応じた弾性エネルギが蓄積される。
そして、予め設定された制御条件に応じて、クラッチ２０の締結力がゼロとされ、入力軸２０ａと出力軸２０ｂとの連結が解除されると、出力軸２０ｂには、弾性部材３０に蓄積された弾性エネルギによって、ギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に回転する力が付与される。

【0016】

そのため、クラッチ２０の開放時に、出力軸２０ｂをギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に高速に回転させることが可能となる。
また、アクチュエータ１において、クラッチ２０の出力軸２０ｂがギヤードモータ１０によって回転されているときに、物体との接触等により外力が加わった場合、クラッチ２０を開放し、出力軸２０ｂへの駆動力の伝達を解除することができると共に、弾性部材３０によって、クラッチ２０の出力軸２０ｂに対し、外力が加わった方向に回転する補助力を付与することができる。
そのため、クラッチ２０の開放時に、出力軸２０ｂを外力に応じた方向に高速に回転させることが可能となり、アクチュエータ１のバックドライバビリティを向上させることができる。
このように、本発明によれば、減速機を備えるアクチュエータにおいて、より高速な動作を実現することが可能となる。

【0017】

［物理的特性の解析］
次に、アクチュエータ１に求められる物理的特性について説明する。
減速機構を備えることで、小型かつ高出力のアクチュエーション機構が実現される。このとき、ギヤードモータ１０を１慣性系とみなし、かつ、ギアでの効率を１とすれば、運動方程式は、式（１）で表される。

【0018】

Ｊ_ｇ・ｄ^２θ_ｇ＝Ｇ_ｒ・Ｋ_ｔ・Ｉ_ｍ＋τ^ｅｘｔ−Ｄ_ｇ・ｄθ_ｇ−τ_ｇ^ｆｒｉｃ （１）
ただし、ｄは微分演算子であり、
Ｊ_ｇ＝Ｇ_ｒ^２・Ｊ_ｍ （２）
Ｄ_ｇ＝Ｇ_ｒ^２・Ｄ_ｍ （３）
τ_ｇ^ｆｒｉｃ＝Ｇ_ｒ・τ_ｍ^ｆｒｉｃ （４）
θ_ｇ＝１／Ｇ_ｒ・θ_ｍ （５）
である。

【0019】

ここで、Ｊ、θ、Ｇ_ｒ、Ｋ_ｔ、Ｉ、τ、Ｄ、ｇ、ｍ、ｅｘｔ、ｆｒｉｃは、慣性、角度、ギア比、トルク定数、電流、トルク、粘性定数、ギヤードモータを表す添え字、単体モータを表す添え字、外力を表す添え字、摩擦を表す添え字をそれぞれ表している。また、最高回転数ω^ｍａｘ、モータの最大加速度α^ｍａｘは、式（６）、（７）のようにそれぞれ表される。

【0020】

ω_ｇ^ｍａｘ＝１／Ｇ_ｒ・ω_ｍ^ｍａｘ （６）
α_ｇ^ｍａｘ＝１／Ｇ_ｒ・α_ｍ^ｍａｘ＝（Ｇ_ｒ・Ｋ_ｔ・Ｉ_ｍ^ｍａｘ＋τ^ｅｘｔ−τ_ｇ^ｆｒｉｃ）／Ｊ_ｇ （７）

【0021】

さらに、外力τ^ｅｘｔから変位θ_ｇまでの伝達関数Ｇ^ｂａｃｋはシステムのバックドライバビリティを示し、式（８）のように表される。
Ｇ_ｇ^ｂａｃｋ＝θ_ｇ／τ^ｅｘｔ＝１／（Ｊ_ｇ・ｓ^２＋Ｄ_ｇ・ｓ） （８）
バックドライバビリティを表す伝達関数のゲインが高ければ高いほど、バックドライバビリティは高いものとなる。なお、実際には、静止摩擦τ^ｆｒｉｃの影響を考えると、等価的なバックドライバビリティのゲインは、式（８）よりも小さくなる。

【0022】

以上より、ギア比が大きければ大きいほど、バックドライバビリティ、最大加速度及び最高回転数は減少することとなる。
本発明に係るアクチュエータ１では、減速機により低下したバックドライバビリティ、最大加速度及び最高回転数を回復させるため、図１に示すように、クラッチ２０と弾性部材３０とを連結させた構成としている。
即ち、ギヤードモータ１０の出力軸１０ｂにクラッチ２０を連結し、クラッチ２０の入力軸２０ａと出力軸２０ｂとの連結を制御し、等価慣性及び摩擦量を低下させた上で、上述のように弾性部材３０に蓄えられた弾性エネルギを運動エネルギに変換することで、本発明に係るアクチュエータ１では高速運動を実現する。

【0023】

本発明に係るアクチュエータ１は、クラッチ２０の連結あるいは非連結の状態により、２つの動作モードを有している。
（１）連結状態
連結状態では、アクチュエータ１は、ギヤードモータ１０の慣性とクラッチ２０の慣性とが一体となって動作するシステムとなり、弾性部材３０からの弾性力を抵抗として受けるシステムとなる。連結状態に対応するモードでのアクチュエータ１における運動方程式は、式（９）、（１０）のように表される。
（Ｊ_ｇ＋Ｊ_ｃ）ｄ^２θ_ｃ＝Ｇ_ｒ・Ｋ_ｔ・Ｉ_ｍ＋τ^ｅｘｔ−Ｄ_ｇ・ｄθ_ｃ−Ｋ・θ_ｃ−τ_ｇ^ｆｒｉｃ （９）
ｄ^２θ_ｇ＝ｄ^２θ_ｃ （１０）
ただし、Ｋは弾性部材３０のばね定数、添え字ｃはクラッチ２０を表す添え字である。

【0024】

（２）非連結状態
非連結状態では、ギヤードモータ１０の出力が遮断されるため、外力と弾性部材３０によるトルクによってのみ動作するシステムとなる。非連結状態に対応するモードでのアクチュエータ１における運動方程式は、式（１１）、（１２）で表される。
Ｊ_ｃ・ｄ^２θ_ｃ＝τ^ｅｘｔ−Ｋ・θ_ｃ （１１）
Ｊ_ｇ・ｄ^２θ_ｇ＝Ｇ_ｒ・Ｋ_ｔ・Ｉ_ｍ＋τ^ｅｘｔ−Ｄ_ｇ・ｄθ_ｇ−τ_ｇ^ｆｒｉｃ （１２）
ただし、ここではクラッチ２０の摩擦はゼロとみなしている。

【0025】

ここで、連結状態と非連結状態におけるバックドライバビリティＧ_ｏｎ^ｂａｃｋとＧ_ｏｆｆ^ｂａｃｋは、式（９）、（１１）より、それぞれ式（１３）、（１４）で表される。
Ｇ_ｏｎ^ｂａｃｋ＝１／（（Ｊ_ｇ＋Ｊ_ｃ）・ｓ^２＋Ｄ_ｇ・ｓ＋Ｋ） （１３）
Ｇ_ｏｆｆ^ｂａｃｋ＝１／（Ｊ_ｃ・ｓ^２＋Ｋ） （１４）
なお、ｓはラプラス演算子である。
一般に、クラッチ２０の慣性Ｊ_ｃ及びクラッチ２０の摩擦トルクは、高いギア比を有するギヤードモータ１０の等価慣性Ｊ_ｇ及び摩擦トルクと比較すると十分に小さい。

【0026】

図２は、バックドライバビリティのボード線図を示す図である。
なお、図２においては、ギヤードモータ１０単体のバックドライバビリティ（一点鎖線）、本発明を適用したアクチュエータ１の連結状態におけるバックドライバビリティ（破線）、本発明を適用したアクチュエータ１の非連結状態におけるバックドライバビリティ（実線）をそれぞれ示している。
図２に示すように、本発明を適用したアクチュエータ１の連結状態におけるバックドライバビリティと、ギヤードモータ１０単体のバックドライバビリティとを比較すると、高周波領域においては、ほぼ同じ性能を示している。

【0027】

これに対し、本発明を適用したアクチュエータ１の非連結状態におけるバックドライバビリティは、高周波領域において、ギヤードモータ１０単体のバックドライバビリティよりも増加していることがわかる。
これは、慣性の影響及び摩擦トルクの影響が、クラッチ２０単体のシステム（非連結状態）では小さいことに起因している。
このように、本発明を適用したアクチュエータ１は、動作モードを切り替えることで、ギヤードモータ１０の特徴を有する小型軽量・高トルクなシステムと、高いバックドライバビリティを有するシステムとを切り替えることができる。

【0028】

［動作条件の特定］
上述の物理的特性を有するアクチュエータ１において、ギヤードモータ１０における最大加速度あるいは最高回転数以上で動作を行う場合、ギヤードモータ１０からの出力トルクを弾性部材３０に蓄積しておき、動作モードを連結状態から非連結状態に切り替える（即ち、クラッチ２０を開放する）。これにより、弾性部材３０の弾性エネルギを運動エネルギに変換することで、高速な動作が実現される。
このとき、動作モードが連結状態において、弾性部材３０に与えられるトルクをτ_ｏｎとすると、弾性部材３０に蓄積される弾性エネルギＥ_ｋは、式（１５）で表される。
Ｅ_ｋ＝（１／２）・Ｋ・（τ_ｏｎ／Ｋ）^２＝（１／２）・τ_ｏｎ^２／Ｋ （１５）

【0029】

この弾性エネルギが運動エネルギに変換されるため、クラッチ２０を開放した時の最高速度ω_ｃ^ｍａｘについて、エネルギ保存則より、式（１６）が成り立つ。
Ｅ_ｋ＝（１／２）・Ｊ_ｃ・ω_ｃ^ｍａｘ２ （１６）
そのため、クラッチ２０を開放した時の最高速度ω_ｃ^ｍａｘは、式（１７）で表される。
ω_ｃ^ｍａｘ＝τ_ｏｎ／（Ｊ_ｃ・Ｋ）^１／２ （１７）
したがって、ギヤードモータ１０の最高速度ω_ｇ^ｍａｘに対して、ω_ｃ^ｍａｘ＞ω_ｇ^ｍａｘとなるように弾性部材３０を選定し、ギヤードモータ１０からのトルク入力を決定することで、ギヤードモータ１０単体よりも高速な運動を実現することが可能となる。
即ち、本発明を適用したアクチュエータ１における非連結状態と連結状態とを使い分けることで、より高いバックドライバビリティ及びより高速な運動を実現することができる。

【0030】

［機能的構成］
上述のような基本的原理によってアクチュエータを構成する場合、以下のような機能的構成を備える各種形態の装置として実現することができる。
図３は、本発明のアクチュエータ１の機能的構成を示すブロック図である。
図３に示すように、アクチュエータ１は、支持部１１０と、力／トルク源１２０と、伝達機構１３０と、連結／非連結機構１４０（伝達制御機構）と、出力軸１５０と、弾性機構１６０と、駆動回路１７０と、計算機１８０と、電力源１９０とを備えている。

【0031】

これらのうち、支持部１１０は図１における支持部Ｂに対応し、力／トルク源１２０は図１におけるギヤードモータ１０のモータ部分に対応し、伝達機構１３０は図１におけるギヤードモータ１０の減速機に対応している。また、連結／非連結機構１４０は図１におけるクラッチ２０に対応し、弾性機構１６０は図１における弾性部材３０に対応している。

【0032】

支持部１１０は、力／トルク源１２０本体を支持し、例えば、アクチュエータ１が設置される固定台や台座等によって構成される。なお、支持部１１０は必ずしも地面に対して固定されている必要はなく、アクチュエータ１が移動可能な装置として構成される場合、アクチュエータ１の本体を支持部１１０とすること等ができる。

【0033】

力／トルク源１２０は、本体を支持部１１０に固定されており、駆動回路１７０の制御に従って、出力軸１５０を回転させるための駆動力を発生する。
伝達機構１３０は、歯車機構を備え、力／トルク源１２０によって出力される回転を、速度を変化させて出力する。

【0034】

連結／非連結機構１４０は、駆動回路１７０の制御に従って、入力側と出力側とが連結した状態または連結していない状態を変化させることにより、伝達機構１３０から入力される回転を出力側に伝達するか否かを切り替える。
出力軸１５０は、連結／非連結機構１４０から入力される回転を出力する部材である。出力軸１５０には、弾性機構１６０の一端が連結されている。また、出力軸１５０の具体的な形態は、アクチュエータ１の実装目的に応じて種々の構成とすることができ、例えば円盤状の部材、アーム状の部材あるいはドリル状の部材等を有する構成とできる。

【0035】

弾性機構１６０は、一端を出力軸１５０、他端を支持部１１０に連結された弾性部材を備え、支持部１１０に対して出力軸１５０が回転駆動された場合の相対的な位置変化によって弾性エネルギを蓄積すると共に、支持部１１０に対して出力軸１５０の固定が開放された場合に、蓄積している弾性エネルギによって、出力軸１５０を回転駆動された方向と逆方向に回転させる。

【0036】

駆動回路１７０は、計算機１８０における制御則に従って、力／トルク源１２０及び連結／非連結機構１４０を制御する。即ち、駆動回路１７０は、力／トルク源１２０に対して、電力源１９０から供給された電力を出力すると共に、力／トルク源１２０の回転速度及びトルクを制御するための駆動信号を出力する。また、駆動回路１７０は、連結／非連結機構１４０に対して、電力源１９０から供給された電力を出力すると共に、連結／非連結機構１４０において、入力側と出力側とが連結した状態または連結していない状態を変化させるための駆動信号を出力する。

【0037】

計算機１８０は、アクチュエータ１の実装目的に応じた制御プログラム等を実行することにより、所定の制御則に従って、アクチュエータ１全体を制御する。
電力源１９０は、バッテリや商用電源等によって構成され、アクチュエータ１が動作を行うための電力を供給する。
なお、このような機能的構成に加え、アクチュエータ１には、種々の付加的な機能を備えることができる。
例えば、力／トルク源１２０の回転軸（出力軸）、連結／非連結機構１４０の入力軸及び出力軸、出力軸１５０等に、これらの回転角度や回転トルクを検出するセンサを適宜備えることが可能である。
以下、上述の機能的構成を有するアクチュエータ１の具体的な実施形態について説明する。

【0038】

［第１実施形態］
［構成］
図４は、アクチュエータ１の装置構成例を示す外観図である。
図４に示すように、アクチュエータ１は、ギヤードモータ１０と、クラッチ２０と、複数の弾性部材３０とを備えている。

【0039】

図４において、ギヤードモータ１０、クラッチ２０及び各弾性部材３０の構成は、図１における説明と同様である。
また、本実施形態において、ギヤードモータ１０の筐体１０ａは、板状の第１の支持部Ｂ１に固定されており、ギヤードモータ１０の出力軸１０ｂはクラッチ２０に繋がっている。

【0040】

クラッチ２０は、板状の第２の支持部Ｂ２に設置され、ギヤードモータ１０から繋がる出力軸１０ｂと入力軸２０ａとは一体の部材として構成されている。なお、第１の支持部Ｂ１と第２の支持部Ｂ２とは、一体的な部材として構成されている。
また、クラッチ２０の出力軸２０ｂは、入力軸２０ａと連結状態または非連結状態が切り替えられると共に、先端が円盤状に構成されている。そして、出力軸２０ｂの先端を構成する円盤状の部分には、複数の弾性部材３０それぞれの一端が連結されている。
本実施形態において、弾性部材３０は、２つのコイルばね３１，３２によって構成され、２つのコイルばね３１，３２それぞれの一端が、出力軸２０ｂの先端を構成する円盤状の部分において、中心を挟んだ対称の位置ｘ１，ｘ２に連結されている。

【0041】

また、弾性部材３０を構成する２つのコイルばね３１，３２の他端は、板状の第３の支持部Ｂ３に連結されている。第３の支持部Ｂ３は、第１の支持部Ｂ１及び第２の支持部Ｂ２と一体の部材として構成されている。また、第３の支持部Ｂ３は、出力軸２０ｂの先端を構成する円盤状の部分の円盤面と、板面が平行となるように設置されている。本実施形態においては、第３の支持部Ｂ３と出力軸２０ｂの先端を構成する円盤状の部分との距離は、弾性部材３０を構成するコイルばね３１，３２の自然長と同程度となっている。また、出力軸２０ｂの回転位置が基準位置（回転角度０度）となっている場合に、コイルばね３１，３２の一端が連結されている円盤面の位置ｘ１，ｘ２と、他端が連結されている第３の支持部Ｂ３の板面の位置ｙ１，ｙ２とはそれぞれ対向する位置となるように設定されている。そのため、クラッチ２０の出力軸２０ｂが回転駆動されると、弾性部材３０を構成するコイルばね３１，３２は、それぞれ自然長から伸長され、伸長の度合いに応じた弾性エネルギが蓄積されることとなる。

【0042】

［動作］
次に、動作を説明する。
図４に示す装置構成例のアクチュエータ１が動作する場合、初期状態では、クラッチ２０の出力軸２０ｂの回転位置が、基準位置（回転角度０度）に合わせられる。
そして、アクチュエータ１が通常の動作（ギヤードモータ１０による出力軸２０ｂの回転駆動）を行う場合、クラッチ２０が連結状態とされる。
初期状態からギヤードモータ１０がクラッチ２０の出力軸２０ｂを回転すると、弾性部材３０を構成するコイルばね３１，３２は、それぞれ自然長から伸長される。このとき、ギヤードモータ１０が出力する回転トルクに応じて、コイルばね３１，３２が伸長する長さが決定される。

【0043】

ここで、クラッチ２０に対して、ギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に外力が加わること等に応じて、アクチュエータ１が通常の動作（ギヤードモータによる出力軸の回転駆動）を停止したとする。なお、外力が加わったことは、例えば、外乱の入力として検出することができ、ギヤードモータ１０の駆動電流と出力軸１０ｂの回転角度の関係から判定したり、クラッチ２０の出力軸２０ｂにロータリーエンコーダ等の位置センサやトルクセンサを備えること等によって検出したりすることができる。
すると、クラッチ２０が非連結状態に切り替えられ、ギヤードモータ１０から出力軸２０ｂへの駆動力の伝達が解除される。これにより、クラッチ２０の出力軸２０ｂには、弾性部材３０を構成するコイルばね３１，３２からの弾性力（自然長への復元力）が作用する状態となる。

【0044】

即ち、クラッチ２０の出力軸２０ｂに対し、ギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に回転する補助力が付与される。
これにより、クラッチ２０の開放時に、出力軸２０ｂをギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に高速に回転させることができ、アクチュエータ１のバックドライバビリティを向上させることが可能となる。
即ち、減速機を備えるアクチュエータ１において、より高速な動作を実現することが可能となる。

【0045】

［効果］
図５Ａ〜図５Ｃは、弾性部材による弾性力の入力に対するクラッチ２０の出力軸２０ｂの動きについて、図４のアクチュエータ１と、ギヤードモータ１０単体とで評価実験を行った結果を示す図である。
なお、図５（Ａ）は角度応答値を示す図、図５（Ｂ）は角速度応答値を示す図、図５（Ｃ）は移動距離（クラッチ２０の出力軸２０ｂの回転角度）と出力する最高回転数との関係を示す図である。
図５Ａ〜図５Ｃにおいては、０［ｓ］以前までにアクチュエータ１が通常の動作（ギヤードモータ１０による出力軸２０ｂの回転駆動）を行い、０［ｓ］〜約０．４［ｓ］においては回転駆動を停止し、弾性部材３０にエネルギが蓄えられている状態で保持している。その後、約０．４［ｓ］の時点でクラッチ２０を開放した状態を示している。

【0046】

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、ギヤードモータ１０の最大動作範囲内において出力軸２０ｂを回転駆動（所定の角度で保持）している際に、出力軸２０ｂへの駆動力の入力が停止されると、ギヤードモータ１０単体の場合、減速機による回転速度の低下の影響を受ける。そのため、ギヤードモータ１０の最大回転速度（正方向及び負方向）の範囲内において、出力軸２０ｂがギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に回転される。したがって、出力軸２０ｂが基準位置（回転角度０度）に戻るまでに約０．４［ｓ］を要し、出力軸２０ｂがギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に回転する速度が低いものとなっている。

【0047】

これに対し、本発明におけるアクチュエータ１では、クラッチ２０が非連結状態に切り替えられ、弾性部材３０に蓄積されていた弾性エネルギが、出力軸２０ｂがギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に回転することを補助する。そのため、ギヤードモータ１０の最大回転速度を超えて、出力軸２０ｂがギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に回転される。したがって、出力軸２０ｂは直ちに基準位置（回転角度０度）に戻り、出力軸２０ｂがギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に回転する速度がより高いものとなっている。

【0048】

なお、図５Ｃに示すように、本発明におけるアクチュエータ１では、ギヤードモータ１０が出力軸２０ｂを回転駆動する角度が大きくなるほど、弾性部材３０に蓄積される弾性エネルギが大きくなることから、クラッチ２０が開放された際に、出力軸２０ｂが回転する速度（最大回転速度）がより高いものとなる。
一方、ギヤードモータ１０単体では、出力軸２０ｂの回転速度が、ギヤードモータ１０の最大回転速度の範囲に制限される。
即ち、ギヤードモータ１０が出力軸２０ｂを回転駆動する角度が大きいほど、本発明におけるアクチュエータ１の効果がより顕著に表れることとなる。

【0049】

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
［構成］
図６は、第２実施形態に係るアクチュエータ１の装置構成例を示す外観図である。
図６に示す装置構成例では、ギヤードモータ１０の筐体１０ａ及びクラッチ２０の出力軸２０ｂの一部に、ほぼ同径のフランジ部が形成され、これらフランジ部の間に、弾性部材３０を構成する複数のコイルばねが連結されている。
以下、具体的に説明する。

【0050】

ギヤードモータ１０の筐体１０ａは、不図示の支持部Ｂに固定されており、ギヤードモータ１０の出力軸１０ｂはクラッチ２０に繋がっている。また、ギヤードモータ１０の筐体１０ａは、軸方向における一部に、他の部分よりも半径が拡大している外縁が円形のフランジ部１１ａを備えている。フランジ部１１ａの直径は、クラッチ２０の筐体の直径よりも大きく、フランジ部１１ａのフランジ面は、後述するクラッチ２０の出力軸２０ｂのフランジ部２１ｂと対向している。

【0051】

クラッチ２０は、ギヤードモータ１０の筐体１０ａに固定され、ギヤードモータ１０から繋がる出力軸１０ｂと入力軸２０ａとは一体の部材として構成されている。
また、クラッチ２０の出力軸２０ｂは、入力軸２０ａと連結状態または非連結状態が切り替えられると共に、軸方向における一部に、他の部分よりも半径が拡大している外縁が円形のフランジ部２１ｂを備えている。そして、フランジ部２１ｂのフランジ面は、ギヤードモータ１０の筐体１０ａに備えられたフランジ部１１ａのフランジ面と対向している。

【0052】

弾性部材３０は、複数のコイルばね３０−１〜３０−ｎ（ｎは２以上の整数）によって構成される。コイルばね３０−１〜３０−ｎそれぞれの一端は、フランジ部１１ａのフランジ面に連結されていると共に、コイルばね３０−１〜３０−ｎそれぞれの他端は、フランジ部２１ｂのフランジ面に連結されている。ここで、フランジ部１１ａ，２１ｂの対向するフランジ面は、平行となるように設置されている。本実施形態においては、フランジ部１１ａ，２１ｂの対向するフランジ面の距離は、弾性部材３０を構成するコイルばね３０−１〜３０−ｎの自然長と同程度となっている。また、出力軸２０ｂの回転位置が基準位置（回転角度０度）となっている場合に、コイルばね３０−１〜３０−ｎの一端が連結されているフランジ部１１ａのフランジ面の位置Ｘ１〜Ｘｎと、他端が連結されているフランジ部２１ｂのフランジ面の位置Ｙ１〜Ｙｎとはそれぞれ対向する位置となるように設定されている。そのため、クラッチ２０の出力軸２０ｂが回転駆動されると、弾性部材３０を構成するコイルばね３０−１〜３０−ｎは、それぞれ自然長から伸長され、伸長の度合いに応じた弾性エネルギが蓄積されることとなる。

【0053】

［動作］
次に、動作を説明する。
図６に示す装置構成例のアクチュエータ１が動作する場合、初期状態では、クラッチ２０の出力軸２０ｂの回転位置が基準位置とされる。
そして、アクチュエータ１が通常の動作（ギヤードモータ１０による出力軸２０ｂの回転駆動）を行う場合、クラッチ２０が連結状態とされる。
初期状態からギヤードモータ１０がクラッチ２０の出力軸２０ｂを回転すると、弾性部材３０を構成するコイルばね３０−１〜３０−ｎは、それぞれ自然長から伸長される。このとき、ギヤードモータ１０が出力する回転トルクに応じて、コイルばね３０−１〜３０−ｎが伸長する長さが決定される。

【0054】

ここで、クラッチ２０に対して、ギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に外力が加わること等に応じて、アクチュエータ１が通常の動作（ギヤードモータによる出力軸の回転駆動）を停止したとする。外力が加わったことは、上述のように、ギヤードモータ１０の駆動電流と出力軸１０ｂの回転角度の関係から判定したり、クラッチ２０の出力軸２０ｂにロータリーエンコーダ等の位置センサやトルクセンサを備えること等によって検出したりすることができる。
すると、クラッチ２０が非連結状態に切り替えられ、ギヤードモータ１０から出力軸２０ｂへの駆動力の伝達が解除される。これにより、クラッチ２０の出力軸２０ｂには、弾性部材３０を構成するコイルばね３０−１〜３０−ｎからの弾性力（自然長への復元力）が作用する状態となる。

【0055】

即ち、クラッチ２０の出力軸２０ｂに対し、ギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に回転する補助力が付与される。
これにより、クラッチ２０の開放時に、出力軸２０ｂをギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に高速に回転させることができ、アクチュエータ１のバックドライバビリティを向上させることが可能となる。

【0056】

即ち、減速機を備えるアクチュエータ１において、より高速な動作を実現することが可能となる。
また、本実施形態におけるアクチュエータ１は、クラッチ２０の周囲に弾性部材３０を構成するコイルばね３０−１〜３０−ｎが配置された構成であるため、アクチュエータ１全体を小型化することができる。

【0057】

［変形例１］
上述の実施形態において、アクチュエータ１の出力軸２０ｂに減速機を備え、さらに高トルク化を図ることができる。
図７は、図１の構成を有するアクチュエータ１の出力軸２０ｂに減速機４０をさらに備える構成を示すブロック図である。
図７に示すように、出力軸２０ｂに減速機４０を備え、弾性部材３０の他端を減速機４０の出力軸に連結することができる。
この場合、減速機４０のギア比が大きいと、外力が入力した場合のバックドライバビリティの低下に繋がることから、減速機４０のギア比はより小さく、ギヤードモータ１０が有する減速機のギア比はより大きくすることが望ましい。
このような構成とすることで、アクチュエータ１の出力トルクをさらに高めることができる。また、このような構成とした場合、ギヤードモータ１０が出力する回転数をさらに調整することも可能となる。

【0058】

［変形例２］
上述の実施形態において、クラッチ２０の入力軸２０ａに一端を連結され、クラッチ２０の出力軸２０ｂに他端を連結された弾性部材３０Ａを備えることができる。
図８は、図１の構成を有するアクチュエータ１において、クラッチ２０の入力軸２０ａと出力軸２０ｂとに連結された弾性部材３０Ａをさらに備える構成を示すブロック図である。
図８に示すように、弾性部材３０Ａは、クラッチ２０の入力軸２０ａと出力軸２０ｂとに連結されているため、クラッチ２０が連結状態の場合、伸長あるいは圧縮されることなく、クラッチ２０の入力軸２０ａ及び出力軸２０ｂと共に回転する。
そして、クラッチ２０が非連結状態とされた場合、弾性部材３０に蓄積された弾性エネルギによって、クラッチ２０の入力軸２０ａに対して出力軸２０ｂが回転される。このとき、弾性部材３０Ａは、弾性部材３０による出力軸２０ｂの回転を妨げる方向の弾性力を発生する。
このような構成とすることで、クラッチ２０が非連結状態とされた場合の出力軸２０ｂの平衡点を変化させることができる。

【0059】

［変形例３］
上述の実施形態において、クラッチ２０は入力軸２０ａと出力軸２０ｂとを連結状態または非連結状態に切り替えるものとしたが、クラッチ２０の締結力を調整可能な構成とすることが可能である。
例えば、電磁クラッチの場合、駆動電流量を調整することで、開放状態から固定状態まで、締結力を連続的な値に調整することができる。
このように、クラッチ２０の締結力を調整することにより、アクチュエータ１が通常の動作（ギヤードモータ１０による出力軸２０ｂの回転駆動）を停止した場合に、ギヤードモータ１０による回転方向とは逆方向に出力軸２０ｂが回転する速度を調整することが可能となる。
図９Ａ及び図９Ｂは、アクチュエータ１が通常の動作（ギヤードモータによる出力軸の回転駆動）を停止したときにクラッチ２０の締結力を変化させた場合のクラッチ２０の出力軸２０ｂの動きを示す模式図である。
なお、図９Ａは角度応答値を示す図、図９Ｂは角速度応答値を示す図である。
図９Ａ及び図９Ｂに示すように、クラッチ２０の締結力を変化させた場合、アクチュエータ１が通常の動作（ギヤードモータによる出力軸の回転駆動）を停止したときの出力軸２０ｂの動きは、小さい角速度で応答する特性（図９Ｂにおける特性Ｑ１）から、大きい角速度で応答する特性（図９Ｂにおける特性Ｑ５）まで、種々の角速度に調整することが可能となる。これにより、速度の応答値について、出力軸２０ｂが最も低い速度で回転する特性（図９Ａにおける特性Ｐ１）から、高い速度で回転する特性（図９Ａにおける特性Ｐ５）まで、種々の速度に調整することが可能となる。

【0060】

［変形例４］
上述の実施形態において、アクチュエータ１の出力として回転動作を行う場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。例えば、アクチュエータ１の出力として直動動作を行う場合にも、本発明を適用することができる。
図１０は、アクチュエータ１の出力として直動動作を行う場合の構成例を示すブロック図である。
図１０に示すように、アクチュエータ１は、ギヤードモータ１０と、弾性部材３０と、ボールねじ５０と、ベアリング６０と、ボールナット７０と、連結・非連結機構８０と、出力部９０とを備えている。
図１０に示すアクチュエータ１は、ボールねじ５０を用いた直動機構を構成している。
即ち、ギヤードモータ１０は、筐体１０ａを支持部Ｂに固定され、出力軸１０ｂがボールねじ５０となっている。
このボールねじ５０は、ベアリング６０によって回転自在に支持されていると共に、ボールねじ５０の表面には、ねじ溝が形成されている。
また、ボールねじ５０には、ボールねじ５０のねじ溝に対応するねじ溝が形成されたボールナット７０が挿通されており、ボールねじ５０のねじ溝とボールナット７０のねじ溝との間にはボールベアリングが設置されている。なお、ボールナット７０は、ボールねじ５０の回転に対して、一体に回転しないよう回転方向の動きが規制されている。
そのため、ギヤードモータ１０の出力軸１０ｂであるボールねじ５０が回転すると、ボールナット７０はボールねじ５０の軸方向に直動運動する。

【0061】

ボールナット７０には、連結・非連結機構８０を介して出力部９０が設置されており、出力部９０には、弾性部材３０の他端が連結されている。なお、弾性部材３０の一端は、支持部Ｂに連結されている。
即ち、ボールナット７０がボールねじ５０の軸方向において、ギヤードモータ１０から離れる方向に直動運動した場合、その移動距離に応じて、弾性部材３０が伸長し、弾性エネルギが蓄積される。
連結・非連結機構８０は、ボールナット７０と出力部９０とを係止し、ボールナット７０と出力部９０とが一体に直動運動する状態（連結状態）と、ボールナット７０と出力部９０との係止を解除し、ボールナット７０に対して出力部９０が直動運動の方向に移動（スライド等）する状態（非連結状態）とを切り替える。
このような構成において、ボールナット７０に係止された出力部９０がボールねじ５０の軸方向において、ギヤードモータ１０から離れる方向に直動運動すると、その移動距離に応じて、弾性部材３０が伸長し、弾性エネルギが蓄積される。
そして、出力部９０に、物体との接触等により外力が加わること等に応じて、アクチュエータ１が通常の動作（ギヤードモータによる出力軸の回転駆動）を停止した場合、連結・非連結機構８０によって、出力部９０のボールナット７０に対する係止を解除し、ボールナット７０に対して出力部９０が直動運動の方向に移動可能な状態とすることができる。このとき、弾性部材３０に蓄積された弾性エネルギによって、ギヤードモータ１０に近付く方向に移動する補助力を付与することができる。
そのため、連結・非連結機構８０によるボールナット７０への係止の解除時に、出力部９０をギヤードモータ１０に近付く方向に高速に移動させることが可能となり、アクチュエータ１のバックドライバビリティを向上させることができる。
即ち、本変形例によれば、減速機を備えるアクチュエータにおいて、より高速な動作を実現することが可能となる。

【0062】

［変形例５］
上述の実施形態において、アクチュエータ１によって、多自由度を有するシステムを実現することができる。
このとき、出力の先端部分に質量が集中することを避けるため、パラレル機構を用いることが有利となる。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、アクチュエータ１によって、多自由度を有するパラレル機構を構成する場合の構成例を示す模式図である。
図１１Ａは、１つのアクチュエータ１によって動作するアームを３つ備えるシステム（３モータ／３アームシステム）の構成例を示す図である。
図１１Ａに示す構成例の場合、互いに直交する３軸の方向に移動可能な３自由度のシステムが実現される。
図１１Ｂは、１つのアクチュエータ１によって動作するアームを６つ備えるシステム（６モータ／６アームシステム）の構成例を示す図である。
図１１Ｂに示す構成例の場合、互いに直交する３軸の方向に移動可能であり、かつ、各軸の周りに回転運動可能な６自由度のシステムが実現される。
なお、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す構成の他、各種歯車及び各種モータを組み合わせた機構に、上述の原理に基づく本発明を適用することができる。
これらの構成により、出力の先端部分に質量が集中することを避けつつ、多自由度のシステムを実現することができる。また、これらのシステムにおいても、モータの駆動に伴い、弾性部材に弾性エネルギを蓄積しておくと共に、外力が加わること等に応じて、モータの出力の伝達を解除するよう動作させることができる。
これにより、アクチュエータ１が通常の動作（ギヤードモータによる出力軸の回転駆動）を停止した場合に、弾性エネルギによって、モータによる動作とは逆方向に動作させる力を付与することができ、アクチュエータ１のバックドライバビリティを向上させることができる。
即ち、本変形例によれば、減速機を備えるアクチュエータにおいて、より高速な動作を実現することが可能となる。

【0063】

なお、上述の実施形態において、弾性部材３０の両端を連結する位置は、アクチュエータ１の具体的形態に応じて、種々変更することができる。
例えば、図４に示す第１実施形態の構成では、２つのコイルばね３１，３２それぞれの一端が、出力軸２０ｂの先端を構成する円盤状の部分において、中心を挟んだ対称の位置ｘ１，ｘ２に連結されているものとしたが、これに限られない。即ち、コイルばね３１，３２を、出力軸２０ｂの先端を構成する円盤状の部分において、中心から異なる距離の位置に連結したり、中心を挟んだ対称の位置以外に連結したりすることが可能である。また、この場合、コイルばね３１，３２の長さや弾性係数も連結位置に合わせて選択することができる。

【0064】

また、本発明に係るアクチュエータ１は、駆動力による動作と、その動作とは逆方向の外力による動作とを行うシステムに適用することができる。
例えば、本発明に係るアクチュエータ１は、ヒューマノイドロボットにおける脚の駆動力を発生する装置として設置することができる。この場合、股関節に対して脚を前後に揺動させる軸をアクチュエータ１で駆動する。そして、脚の揺動を高速に行う場合（走行やジャンプ等）には、股関節に対して鉛直下方を回転位置の基準位置として、基準位置から前方に向かう脚の動作及び基準位置から後方に向かう脚の動作を、ギヤードモータ１０によって行う。一方、前方または後方に揺動した脚を基準位置に引き戻す動作の際には、クラッチ２０を非連結状態とすることにより、弾性部材３０の弾性エネルギを用いて、高速な動きを実現する。
これにより、ギヤードモータ１０の最大回転速度を超えた回転速度で、脚の揺動を行うことが可能となる。
なお、このような構成とした場合、脚が接地した瞬間に地面からの衝撃を吸収する動作によって、弾性部材３０への弾性エネルギの蓄積を行うことができる。

【0065】

また、本発明に係るアクチュエータ１は、工作機械のクランプホルダの締め付け力を発生する装置として設置することができる。例えば、旋盤加工とミーリング加工とを行う復号加工機においては、工具を自動的に交換可能とするため、このようなクランプホルダが設置される。
具体的には、クランプホルダによって工具を保持している場合、クランプホルダをギヤードモータ１０によって駆動する。そして、クランプホルダにおいて工具を交換する場合には、クラッチ２０を非連結状態とすることにより、弾性部材３０に蓄積された弾性エネルギによって、クランプホルダによる工具の保持を解除する動作を補助する。
これにより、クランプホルダを小型化できると共に、クランプホルダの動作を高速化することが可能となる。

【0066】

その他、本発明に係るアクチュエータ１は、産業用マニピュレータ、あるいは、移動体マニピュレータに適用することができる。これらのマニピュレータを小型化することで、モータの出力を低下させることが可能となるため、装置の省エネルギ化及び省スペース化を実現することができる。
また、本発明に係るアクチュエータ１は、リハビリテーションロボット（患者のリハビリを補助するロボット）、装着型ロボット（装着した人間の動きを補助するロボット）、義手・義足ロボット（失われた身体の一部を代替するロボット）等に適用することができる。これらのロボットは、人間との接触動作が必要となるため、安全性が高いことが望まれ、即ち、高いバックドライバビリティが要求される。これに対し、本発明に係るアクチュエータ１を用いることで、小型化（ウェアラブル化）を図りつつ、高いバックドライバビリティを併せて実現することができる。

【0067】

なお、上記実施形態は、本発明を適用した一例を示しており、本発明の技術的範囲を限定するものではない。即ち、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等種々の変更を行うことができ、上記実施形態以外の各種実施形態を取ることが可能である。本発明が取ることができる各種実施形態及びその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0068】

１ アクチュエータ、１０ ギヤードモータ、１０ａ 筐体、１０ｂ，２０ｂ，１５０ 出力軸、１１ａ，２１ｂ フランジ部、２０ クラッチ、２０ａ 入力軸、３０，３０Ａ 弾性部材、３１，３２，３０−１〜３０−ｎ コイルばね、４０ 減速機、５０ ボールねじ、６０ ベアリング、７０ ボールナット、９０ 出力部、Ｂ，１１０ 支持部、１２０ 力／トルク源、１３０ 伝達機構、８０，１４０ 連結／非連結機構、１６０ 弾性機構、１７０ 駆動回路、１８０ 計算機、１９０ 電力源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11A】

【図11B】