JP2008172886A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で製造が容易であり、取り出されるエネルギーが増大するアクチュエータを提供する。
【解決手段】第一フレーム２０の第一歯部２２と第二フレーム３０の第二歯部３２とは、互いに噛み合う位置に設けられている。この互いに噛み合っている第一歯部２２と第二歯部３２との間に、電気活性ポリマ１１が設けられている。電気活性ポリマ１１が載置された第二フレーム３０に第一フレーム２０を被せることにより、第一フレーム２０と第二フレーム３０との間には折り畳まれた電気活性ポリマ１１が設けられる。そのため、第一フレーム２０と第二フレーム３０との間には、擬似的に三つの電気活性ポリマ１１が並列して設けられた状態となる。その結果、一枚の電気活性ポリマ１１によって、三つのアクチュエータと同等の力が取り出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関し、特に電気活性ポリマの変位を駆動力として取り出すアクチュエータに関する。

特許文献１には、絶縁層の両面に導電層を形成し、この導電層の間に電圧を印加することにより電気エネルギーを運動エネルギーに変換する電気活性ポリマを用いたアクチュエータが開示されている。このようなアクチュエータの電気活性ポリマは、単一では取り出すことができるエネルギーが小さい。そこで、特許文献１では、電気活性ポリマから取り出すエネルギーの増大を図っている。例えば、電気活性ポリマからなるダイアフラムを複数配置することにより、取り出すエネルギーの増大が図られている。また、電気活性ポリマを並列に複数配列したり、電気活性ポリマを多層に積層することにより、取り出すエネルギーの増大が図られている。

しかしながら、複数のダイアフラムを配置する場合、ダイアフラムの数が増加するため、構造の複雑化を招き、製造工程が煩雑になる。また、複数の電気活性ポリマを並列に配列する場合、対向する剛性フレームの間に複数の電気活性ポリマを設ける必要がある。そのため、構造の複雑化を招き、製造工程が煩雑になる。さらに、電気活性ポリマを多層に積層する場合、絶縁層および導電層の積層に複数の工程を必要とする。この場合、各導電層から電極を引き出す必要があり、構造も複雑化する。これらのように、いずれの手法でも、取り出すエネルギーを増大させる場合、構造の複雑化および製造工数の増大を招くという問題がある。

特表２００３−５０６８５８号公報

そこで、本発明の目的は、簡単な構造で製造が容易であり、取り出されるエネルギーが増大するアクチュエータを提供することにある。

（１）本発明のアクチュエータは、第一ベース、および所定の間隔で前記第一ベースから前記第一ベースの板厚方向に突出する複数の第一歯部を有する第一フレームと、前記第一フレームと対向して設けられ、第二ベース、および所定の間隔で前記第二ベースから前記第二ベースの板厚方向に突出して前記第一歯部の間に噛み合い可能な第二歯部を有し、前記第一フレームと板厚方向へ相対的に移動可能な第二フレームと、前記第一フレームと前記第二フレームとの間に設けられ、前記第一歯部の前記第二フレーム側の端部および前記第二歯部の前記第一フレーム側の端部に接して折り曲げられている電気活性ポリマと、を備える。
第一フレームの第一歯部と第二フレームの第二歯部とは互いに噛み合い可能である。この噛み合っている第一歯部と第二歯部との間に電気活性ポリマを設けることにより、電気活性ポリマは第一歯部と第二歯部との間で数重に折り畳まれた状態となる。そのため、一枚の電気活性ポリマを第一フレームと第二フレームとの間に設ける場合でも、第一フレームと第二フレームとの間には擬似的に複数の電気活性ポリマが並列に設けられた状態となる。すなわち、対向して設けられている第一フレームと第二フレームとの間に電気活性ポリマを挿入し、第一歯部と第二歯部とを噛み合わせることにより、第一フレームと第二フレームとの間には並列する電気活性ポリマが設けられる。したがって、簡単な構造で製造が容易であるとともに、取り出すエネルギーを増大することができる。

（２）本発明のアクチュエータでは、前記第一歯部および前記第二歯部は、それぞれ平行に設けられている。
（３）本発明のアクチュエータでは、前記第一歯部および前記第二歯部は、それぞれ同心円状に設けられている。
（４）本発明のアクチュエータでは、前記第一歯部および前記第二歯部は、規則的に配列された柱状に設けられている。
これらのように、第一ベースおよび第二ベースは、搭載される位置の形状に応じて任意の形状に設定することができる。また、第一歯部および第二歯部の数および間隔などを調整することにより、取り出すエネルギーを容易に調整することができる。

以下、本発明の複数の実施形態によるアクチュエータを図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるアクチュエータの概略図を図１および図２に示す。アクチュエータ１０は、図１および図２に示すように第一フレーム２０、第二フレーム３０および電気活性ポリマ１１を備えている。第一フレーム２０は、第一ベース２１および第一歯部２２を有している。第一ベース２１は、板状に形成されており、一方の端面に第一歯部２２を有している。第一歯部２２は、第一ベース２１の一方の端面から第二フレーム３０側へ突出している。第一歯部２２は、それぞれ概ね平行に設けられている。第１実施形態では、第一ベース２１は正方形あるいは長方形などの四角形状に形成されている。

第１実施形態の場合、図１に示すように第一フレーム２０は懸架装置４０によって支持されている。懸架装置４０は、例えば天井や支持腕などの支持部４１、およびスプリングなどの弾性部材４２を有している。弾性部材４２は、一方の端部が支持部４１に固定され、他方の端部が第一フレーム２０に固定されている。これにより、懸架装置４０は、第一フレーム２０を第二フレーム３０に対し重力方向の上下へ移動可能に支持している。これにより、第一フレーム２０と第二フレーム３０とは、各板厚方向へ相対移動可能である。

第二フレーム３０は、図１および図２に示すように第二ベース３１および第二歯部３２を有している。第二ベース３１は、板状に形成されており、一方の端面に第二歯部３２を有している。第二歯部３２は、第二ベース３１の一方の端面から第一フレーム２０側へ突出している。第二歯部３２は、それぞれ概ね平行に設けられている。第二歯部３２は、第一ベース２１の第一歯部２２と噛み合う位置に設けられている。第１実施形態では、第二ベース３１は第一ベース２１と同様に正方形あるいは長方形などの四角形状に形成されている。第１実施形態の場合、図１に示すように第二フレーム３０は例えば床などの載置部４３に固定または移動可能に設置されている。

電気活性ポリマ１１は、第一フレーム２０と第二フレーム３０との間に設けられている。電気活性ポリマ１１は、図示しない絶縁層の両面に導電層が形成されている。絶縁層は、例えばシリコンエラストマーやポリウレタンなどの柔軟で誘電率の高い材料で形成されている。導電層は、例えばシリコンエラストマーにカーボン粒子を分散させた樹脂などで形成されている。これにより、絶縁層は、二つの導電層によって挟み込まれている。絶縁層を含む導電層間に電圧を印加することにより、絶縁層のクーロン力は変化し、絶縁層に歪みが生じる。その結果、電気活性ポリマ１１は、電圧の印加を断続することにより伸縮する。電気活性ポリマ１１は、一層の絶縁層と二層の導電層とを繰り返して積層してもよい。

電気活性ポリマ１１は、ベースとなる絶縁層がシリコンエラストマーなどの柔軟で弾性力のある材料で形成されている。そのため、第二フレーム３０上に電気活性ポリマ１１を設置し、その上方から第一フレーム２０を被せることにより、電気活性ポリマ１１は自身の弾性力と弾性部材４２の弾性力とが釣り合う位置まで第一フレーム２０によって押し下げられる。これにより、電気活性ポリマ１１は、第一フレーム２０の第一歯部２２と第二フレーム３０の第二歯部３２との間に数重に折り畳まれた状態となる。第一歯部２２と第二歯部３２とは、互い違い、すなわち互いに噛み合い可能な位置に設けられている。そのため、電気活性ポリマ１１は、第一歯部２２の第二フレーム３０側の端部と第二歯部３２の第一フレーム２０側の端部との間で折り曲げられた波形状となる。その結果、電気活性ポリマ１１は、第一フレーム２０によって第二フレーム３０側へ押し込まれながら引き伸ばされる。したがって、電気活性ポリマ１１は、力が加わった状態、いわゆるプレストレインされた状態となる。

図３（Ａ）に示すように、電気活性ポリマ１１に電圧が印加されていないとき、第一フレーム２０の自重によって電気活性ポリマ１１は自身の弾性力と弾性部材４２の弾性力とが釣り合った位置まで押し込まれる。すなわち、電気活性ポリマ１１は、第二歯部３２の第一フレーム２０側の端部よりも第二フレーム３０側へ押し込まれる。これにより、電気活性ポリマ１１は、プレストレインされた状態となる。

ここで、電気活性ポリマ１１に電圧を印加すると、電気活性ポリマ１１の絶縁層にクーロン力による歪みが生じ、電気活性ポリマ１１は伸びる。そのため、図３（Ｂ）に示すように電気活性ポリマ１１は、第一フレーム２０によって第二フレーム３０側へさらに押し込まれる。すなわち、電気活性ポリマ１１の伸びは、第一フレーム２０の変位として取り出される。

電気活性ポリマ１１への通電を停止すると、電気活性ポリマ１１の歪みは消滅し、電気活性ポリマ１１は縮む。そのため、図３（Ｃ）に示すように電気活性ポリマ１１は、自身の弾性力によって変位前の位置まで復帰する。これにより、第一フレーム２０は、図３（Ａ）および図３（Ｃ）に示すように元の位置まで移動する。

このように、電気活性ポリマ１１への電圧の印加を断続することにより、電気活性ポリマ１１は伸縮する。そして、電気活性ポリマ１１の伸縮によって、第一フレーム２０は第二フレーム３０との間で相対的に上下に移動する。すなわち、電気活性ポリマ１１の伸縮は、第一フレーム２０の変位として取り出すことができる。

ここで、アクチュエータ１０から取り出される力について説明する。
第一フレーム２０を支持する弾性部材４２の変形によって生じる力をＦ_sとし、電気活性ポリマ１１の変形によって生じる力をＦ_dとする。図３（Ａ）に示すように電気活性ポリマ１１に電圧が印加されていないとき、電気活性ポリマ１１が生じる力Ｆ_dと弾性部材４２の力Ｆ_sとは釣り合っている。すなわち、
Ｆ_d＋Ｆ_s＝０ （１）
である。

一方、弾性体である弾性部材４２のばね定数をｋ_sとし、同様に弾性体である電気活性ポリマ１１のばね定数をｋ_dとする。また、電気活性ポリマ１１に第一フレーム２０が被せる前後における、弾性部材４２の変位量をｘ_s0とし、電気活性ポリマ１１の変位量をｘ_d0とする。すなわち、単に弾性部材４２に第一フレーム２０を吊した状態から、第一フレーム２０を電気活性ポリマ１１に被せて釣り合うまでの間に変化する弾性部材４２の変位量がｘ_s0である。また、単に第二フレーム３０上に電気活性ポリマ１１を設けた状態から、その上方に第一フレーム２０を被せた状態までの間で変化する電気活性ポリマ１１の変位量がｘ_d0である。

ここで、弾性部材４２が変位する方向と電気活性ポリマ１１が変位する方向は逆である。すなわち、第二フレーム３０に設けられた電気活性ポリマ１１に第一フレーム２０を乗せたとき、弾性部材４２に吊り下げられている第一フレーム２０は電気活性ポリマ１１に押し上げられて図３の上方へ移動する。一方、電気活性ポリマ１１は、第一フレーム２０によって図３の下方へ押し込まれる。したがって、フックの法則から上記の式（１）にあてはめると、
−ｋ_dｘ_d0＋ｋ_sｘ_s0＝０ （２）
となる。

電気活性ポリマ１１に通電したとき、電気活性ポリマ１１に生じる力をＦ_eとし、第一フレーム２０の変位量をｘ₁とする。電気活性ポリマ１１は、第一フレーム２０の変位量ｘ₁に対応するだけ伸び、弾性部材４２の弾性力と釣り合った位置で停止する。そのため、電気活性ポリマ１１に通電し、第一フレーム２０が停止しているとき、電気活性ポリマ１１と弾性部材４２との間の力の関係は、
Ｆ_d＋Ｆ_s＋Ｆ_e＝０ （３）
となる。

ここで、電気活性ポリマ１１の変形によって生じる力Ｆ_dは、第一フレーム２０の変位量がｘ₁のとき、
Ｆ_d＝−ｋ_d（ｘ_do＋ｘ₁） （４）
となる。また、弾性部材４２の変形によって生じる力Ｆ_sは、第一フレーム２０の変位量がｘ₁のとき、
Ｆ_s＝ｋ_s（ｘ_so−ｘ₁） （５）
となる。したがって、上記の式（４）および式（５）を式（３）に代入すると、
−ｋ_d（ｘ_do＋ｘ₁）＋ｋ_s（ｘ_so−ｘ₁）＋Ｆ_e＝０ （６）
となる。そして、上記式（２）を用いることにより、
Ｆ_e＝（ｋ_d＋ｋ_s）ｘ₁ （７）
が得られる。

上記の式（７）から、第一フレーム２０の最大変位量をｘ₁するとき、変位量ｘ（０≦ｘ≦ｘ₁）においてアクチュエータ１０すなわち第一フレーム２０から取り出される力Ｆは、
Ｆ＝−（ｋ_d＋ｋ_s）ｘ＋（ｋ_d＋ｋ_s）ｘ₁ （８）
となる。したがって、第一フレーム２０の変位と取り出される力の関係は、図４に示される通りとなる。

図１および図３に示す第１実施形態のように第一フレーム２０が並列する三つの第一歯部２２を有している場合、三つのアクチュエータが並列されているとみなすことができる。すなわち、電気活性ポリマ１１への通電により、第一フレーム２０の各第一歯部２２からそれぞれ力が得られる。したがって、図１および図３示す第１実施形態のアクチュエータ１０（ｎ＝３）では、図５に示すように単一のアクチュエータ（ｎ＝１）に比較して三倍の力を取り出すことができる。

以上のように、第１実施形態では、第一歯部２２と第二歯部３２とが互いに噛み合う第一フレーム２０と第二フレーム３０との間に電気活性ポリマ１１が設けられている。これにより、第一フレーム２０と第二フレーム３０との間には、擬似的に三つの電気活性ポリマ１１が並列して設けられた状態となる。その結果、一枚の電気活性ポリマ１１によって、三つのアクチュエータと同等の力が取り出される。したがって、簡単な構造で取り出すエネルギーを増大することができる。

また、第１実施形態では、第一フレーム２０と第二フレーム３０との間に一枚の電気活性ポリマ１１を設けるだけで、並列に配置された三つのアクチュエータと同等の力が取り出される。したがって、複数の電気活性ポリマ１１を並列に配置する場合でも、製造を容易にすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるアクチュエータを図６および図７に示す。
第２実施形態では、図６および図７に示すようにアクチュエータ１０は第一フレーム２０、第二フレーム３０および電気活性ポリマ１１を備えている。第一フレーム２０は、第１実施形態と同様に懸架装置４０によって支持されている。第一フレーム２０は、第一ベース２３および第一歯部２４を有している。第２実施形態の場合、第一ベース２３は、円板状に形成されており、一方の端面に第一歯部２４を有している。第一歯部２４は、同心円状に設けられている外周側歯部２４１と内周側歯部２４２とを有している。すなわち、第２実施形態では、第一ベース２３は円形状に形成され、第一歯部２４は円筒状の外周側歯部２４１および円柱状の内周側歯部２４２を有している。

第二フレーム３０は、第二ベース３３および第二歯部３４を有している。第二ベース３３は、円板状に形成されており、一方の端面に第二歯部３４を有している。第二歯部３４は、同心円状に設けられている外周側歯部３４１と内周側歯部３４２とを有している。すなわち、第２実施形態では、第二ベース３３は円形状に形成され、第二ベース３３は円筒状の外周側歯部３４１および内周側歯部３４２を有している。

第一フレーム２０の第一歯部２４のうち内周側歯部２４２は、第二フレーム３０の内周側歯部３４２の内側に挿入可能である。また、第一歯部２４のうち外周側歯部２４１は、第二フレーム３０の外周側歯部３４１と内周側歯部３４２との間に挿入可能である。これにより、第一歯部２４と第二歯部３４とは、噛み合い可能となる。

電気活性ポリマ１１は、第一フレーム２０と第二フレーム３０との間に設けられている。電気活性ポリマ１１は、円板状に形成されている。電気活性ポリマ１１は、形状以外の構成が第１実施形態と同様である。第一フレーム２０と第二フレーム３０との間に電気活性ポリマ１１を設けることにより、電気活性ポリマ１１は第一歯部２４と第二歯部３４との間に折り畳まれた状態となる。これにより、電気活性ポリマ１１は、プレストレインされた状態となる。

第２実施形態では、第一フレーム２０、第二フレーム３０および電気活性ポリマ１１は円板または円筒状に形成されている。したがって、適用個所の形状に応じて、アクチュエータ１０の形状は任意に選定することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態によるアクチュエータを図８および図９に示す。
第３実施形態では、図８および図９に示すようにアクチュエータ１０は第一フレーム２０、第二フレーム３０および電気活性ポリマ１１を備えている。第一フレーム２０は、第１実施形態と同様に懸架装置４０によって支持されている。第一フレーム２０は、第一ベース２５および第一歯部２６を有している。第３実施形態の場合、第一ベース２５は、一方の端面に第一歯部２６を有している。第一歯部２６は、第一ベース２５から第二フレーム３０側へ突出する円柱状に形成されている。第一フレーム２０は、規則的に配列された複数の第一歯部２６を有している。

第二フレーム３０は、第二ベース３５および第二歯部３６を有している。第二ベース３５は、一方の端面に第二歯部３６を有している。第二歯部３６は、第二ベース３５から第一フレーム２０側へ突出する円柱状に形成されている。第二フレーム３０は、規則的に配列された複数の第二歯部３６を有している。
第一歯部２６は、第二フレーム３０に配列されている第二歯部３６の間に配置されている。同様に、第二歯部３６は、第一フレーム２０に配列されている第一歯部２６の間に配置されている。すなわち、第一歯部２６と第二歯部３６とは、互い違いに配置され、相互の間に挿入可能である。その結果、第一歯部２６と第二歯部３６とは噛み合い可能である。

電気活性ポリマ１１は、第一フレーム２０と第二フレーム３０との間に設けられている。電気活性ポリマ１１の構成は、第１実施形態と同様である。第一フレーム２０と第二フレーム３０との間に電気活性ポリマ１１を設けることにより、電気活性ポリマ１１は図８に示すように第一歯部２６と第二歯部３６との間に折り畳まれた状態となる。これにより、電気活性ポリマ１１は、プレストレインされた状態となる。

第３実施形態では、第一フレーム２０および第二フレーム３０は、それぞれ規則的に配列された円柱状の第一歯部２６および第二歯部３６を有している。したがって、適用個所の形状あるいは要求される力に応じて、アクチュエータ１０の形状は任意に選定することができる。

（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態では、電気活性ポリマ１１を第一フレーム２０と第二フレーム３０との間で三回折り曲げる例について説明している。しかし、電気活性ポリマ１１の折り曲げ回数は上記に限らず任意に設定することができる。また、第一フレーム２０、第二フレーム３０および電気活性ポリマ１１の形状はいずれも例示であり、任意の形状に設定することができる。
また、以上説明した複数の実施形態では、第一フレームが第二フレームに対し重力方向の上下へ移動する例について説明した。しかし、本発明は、重力方向への移動に限らず、例えば重力方向に対し垂直に第一フレームと第二フレームとを対向して配置し、重力方向に対し垂直に第一フレーム又は第二フレームの一方が移動する構成としてもよい。すなわち、第一フレームと第二フレームとは、対向して配置するのであれば、重力方向に対し任意の角度に傾斜してもよい。これらの場合、電気活性ポリマは弾性部材の押し付け力によってプレストレインされる。

本発明の第１実施形態によるアクチュエータの概略を示す側面図。 本発明の第１実施形態によるアクチュエータの概略を示す分解斜視図。 本発明の第１実施形態によるアクチュエータの概略を示す側面図であって、（Ａ）は電気活性ポリマへの通電前の状態、（Ｂ）は電気活性ポリマへ通電している状態、および（Ｃ）は電気活性ポリマへの通電を停止した状態を示す図。 電気活性ポリマの変位と取り出される力との関係を示す模式図。 電気活性ポリマの変位と取り出される力との関係を示す模式図。 本発明の第２実施形態によるアクチュエータの概略を示す断面図。 本発明の第２実施形態によるアクチュエータの概略を示す分解斜視図。 本発明の第３実施形態によるアクチュエータの概略を示す側面図。 本発明の第３実施形態によるアクチュエータの概略を示す分解斜視図。

符号の説明

１０：アクチュエータ、１１：電気活性ポリマ、２０：第一フレーム、２１、２３、２５：第一ベース、２２、２４、２６：第一歯部、３０：第二フレーム、３１、３３、３５：第二ベース、３２、３４、３６：第二歯部、２４１：外周側歯部（第一歯部）、２４２：内周側歯部（第一歯部）、３４１：外周側歯部（第二歯部）、３４２：内周側歯部（第二歯部）

Claims (4)

1. 第一ベース、および所定の間隔で前記第一ベースから前記第一ベースの板厚方向に突出する複数の第一歯部を有する第一フレームと、
   前記第一フレームと対向して設けられ、第二ベース、および所定の間隔で前記第二ベースから前記第二ベースの板厚方向に突出して前記第一歯部の間に噛み合い可能な第二歯部を有し、前記第一フレームと板厚方向へ相対的に移動可能な第二フレームと、
   前記第一フレームと前記第二フレームとの間に設けられ、前記第一歯部の前記第二フレーム側の端部および前記第二歯部の前記第一フレーム側の端部に接して折り曲げられている電気活性ポリマと、
   を備えるアクチュエータ。
2. 前記第一歯部および前記第二歯部は、それぞれ平行に設けられている請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記第一歯部および前記第二歯部は、それぞれ同心円状に設けられている請求項１記載のアクチュエータ。
4. 前記第一歯部および前記第二歯部は、規則的に配列された柱状に設けられている請求項１記載のアクチュエータ。

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