JP5247123B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関する。

従来より、弾性を有する誘電エラストマ層の表裏両面に電極が設けられ、その電極に対する電圧印可及び同電圧印可の解除によって誘電エラストマ層を伸縮させることにより作動するアクチュエータが知られている（特許文献１参照）。こうしたアクチュエータの誘電エラストマ層は、汎用ゴム等の高分子化合物によって形成されており、電極への電圧印可に基づき厚さ方向に縮むとともに同厚さ方向と直交する方向に伸び、電極への電圧印可の解除に基づき上記伸縮が解除されるものである。

図４は、上記誘電エラストマ層において、電極への電圧印可によって作用する応力と、その応力による歪み（伸縮）との関係を示したグラフである。同図から分かるように、歪みが「０」に近い領域Ａでは、応力ρを歪みεで除算した値であるヤング率Ｅが大きくなって応力ρの増加に対する歪みεの増大が小さくなる。また、歪みεがある程度大きくなる領域Ｂでは、上記ヤング率Ｅが小さくなって応力ρの増加に対する歪みεの増大が大きくなる。

上述したアクチュエータにおいて、必要とされる作動量を確保すべく同作動量を大きくするためには、電極に対する電圧印可及び同電圧印可の解除による誘電エラストマ層の伸縮を大きなものとすることが重要である。言い換えれば、電極に対する電圧印可及び同電圧印可の解除により誘電エラストマ層に作用する応力ρを変化させたとき、それに伴う誘電エラストマ層の歪みεの変化が上記領域Ｂ内で生じるようにすることが重要になる。

こうしたことを実現するため、上記アクチュエータでは、電極への電圧印可の解除状態にあるとき、誘電エラストマ層に上記領域Ｂの下限付近の歪みεが生じるよう予備歪み処理が施される。具体的には、誘電エラストマ層を厚さ方向と直交する方向に上記歪みεが生じるように伸ばし、その状態で誘電エラストマ層の表裏両面に電極を固定することにより同誘電エラストマ層が通常状態（電極への電圧印可の解除状態）において上記歪みε分だけ伸びた状態となるようにされる。言い換えれば、誘電エラストマ層に通常状態で上記歪みεを生じさせる応力ρが作用するようにされる。

上記予備歪み処理を施すことにより、電極に対する電圧印可及び同電圧印可の解除により誘電エラストマ層に作用する応力ρを変化させたとき、それに伴う誘電エラストマ層の歪みεの変化が上記領域Ｂ内で生じるようになり、アクチュエータの作動量を大きくすることが可能になる。
特表２００１−５２４２７８公報（１１頁１６〜２９行、図３ａ、図３ｂ）

上述した予備歪み処理を施すことにより、アクチュエータの作動量を大きくすることができるようにはなるものの、その予備歪み処理を施すための作業にかかる手間も無視できない問題となる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、予備歪み処理を施さずとも大きな作動量を得ることのできるアクチュエータを提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、弾性を有する誘電エラストマ層の表裏両面にそれぞれ電極が設けられてなるシート体を渦巻き状にロールさせて円筒状とし、その電極に対する電圧印可及び同電圧印可の解除によって前記誘電エラストマ層を伸縮させることにより作動するアクチュエータにおいて、前記誘電エラストマ層は、電圧印可の解除状態に歪みの生じた状態とするための予備歪み処理が施されておらず、前記円筒状とされたシート体の内部にはコイルスプリングが配置され、前記誘電エラストマ層に関しては、作用する応力に基づく歪みが「０」から「０」よりも大きく且つ「０」に近い値となるまでの領域である低歪み領域でのヤング率が、前記低歪み領域よりも歪みが大きな値となる領域である高歪み領域でのヤング率と比べて小さくなる材料によって形成されていることを要旨とした。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記誘電エラストマ層を形成する材料は、架橋点の動く高分子化合物であることを要旨とした。
、請求項３記載の発明では、請求項２記載の発明において、前記架橋点の動く高分子化合物は、ポリロタキサンであることを要旨とした。

低歪み領域でのヤング率が高歪み領域でのヤング率よりも小さくなる材料で誘電エラストマ層を形成することにより、歪み「０」である通常状態の誘電エラストマ層の表裏両面に電極を取り付けるだけで、アクチュエータの作動量を大きくすることができる。すなわち、電極に対する電圧印可及び同電圧印可の解除によって生じる誘電エラストマ層の歪みが大きくなるため、その歪みの分だけ誘電エラストマ層が伸縮することにより作動するアクチュエータの作動量が大きくされるようになる。従って、アクチュエータの作動量を大きくするため、誘電エラストマ層を伸ばして歪みを生じさせた状態で電極を取り付けることにより、誘電エラストマ層を通常状態（電極に対する電圧印可の解除状態）において上記歪みの生じた状態とする予備歪み処理を施す必要はない。

上記誘電エラストマ層を形成する材料としては、架橋点の動く高分子化合物を用いることが好ましい。架橋点の動く高分子化合物に関しては、低歪み領域でのヤング率が高歪み領域でのヤング率よりも小さくなる、言い換えれば作用する応力の変化に対する歪みの変化が高歪み領域よりも低歪み領域で大きくなるという特性を有する。こうした架橋点の動く高分子加工物により誘電エラストマ層を形成することにより、上述した効果が好適に得られるようになる。

なお、架橋点の動く高分子化合物として、具体的にはポリロタキサンを用いることが考えられる。このポリロタキサンは、環状分子の開口部が直鎖状分子によって串刺し状に包接されてなる擬ポリロタキサンの両末端（直鎖状分子の両末端）に、環状分子が遊離しないように封鎖基を配置してなるものであり、例えば環状分子としてα−シクロデキストリン、直鎖状分子としてポリエチレングリコールを用いたものがあげられる。

本発明によれば、アクチュエータにおいて予備歪み処理を施さずとも大きな作動量を得ることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に従って説明する。
図１（ａ）に示されるアクチュエータは、図１（ｃ）に示されるシート体１を渦巻き状にロールさせて円筒状とし、その円筒状のシート体１を中心線方向に伸縮させることにより、同中心線方向の長さを可変とするように作動するものである。なお、図１において、（ａ）はアクチュエータの通常状態である縮めた状態を示し、（ｂ）はアクチュエータを通常状態から伸ばした状態を示している。

図１（ａ）に示されるように、円筒状とされたシート体１の内部にはコイルスプリング２が配置されるとともに、同シート体１の中心線方向両端部の内周面にはそれぞれナット３，４が固定され、上記コイルスプリング２の弾性力によりナット３，４が互いに離れる方向に付勢されている。従って、アクチュエータは、その中心線方向（図中の上下方向）に伸びるようコイルスプリング２の弾性力によって付勢されていることになる。このようにアクチュエータをその中心線方向に付勢するのは、アクチュエータを作動させて中心線方向に伸ばす際にアクチュエータが同中心線方向と直交する方向に膨張することを極力抑え、同中心線方向へのアクチュエータの変位量（作動量）を可能な限り大きくするためである。

ここで、アクチュエータにおけるシート体１の詳細な構造について図１（ｃ）を参照して説明する。
シート体１は、弾性を有する誘電エラストマ層５の表裏両面にそれぞれ可撓性を有するシート状の電極６，７を貼り付けることにより形成されている。これら電極６．７のうち、一方の電極６は電源８のプラス側に接続され、他方の電極７は電源８のマイナス側に接続されている。誘電エラストマ層５は、電極６、７への電圧の印可により厚さ方向（矢印Ｙ１方向）に縮むとともに、矢印Ｙ２方向や矢印Ｙ３方向などの上記厚さ方向と直交する方向に伸びるものである。また、電極６、７への電圧の印可を解除すると、誘電エラストマ層５の弾性により、同層５の厚さ方向への縮み及び同厚さ方向と直交する方向についての伸びが解除される。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように渦巻き状にロールさせて円筒状とされたシート体１においては、電極６，７（図１（ａ））に対する電圧印可及び同電圧印可の解除を通じて上述したようにシート体１を伸縮させることにより、円筒状のシート体１の中心線方向に伸縮するようになる。すなわち、電極６，７に対する電圧の印可により円筒状のシート体１が図１（ｂ）に示されるように上記中心線方向に伸び、電極６，７に対する電圧の印可を解除することにより円筒状のシート体１が図１（ｂ）に示される状態から図１（ａ）に示される状態へと上記中心線方向に縮む。こうした円筒状のシート体１の伸縮により、アクチュエータが作動して同アクチュエータに上記中心線方向への変位が生じることとなる。

シート体１の誘電エラストマ層５は、電極６，７への電圧印可によって誘電エラストマ層５に作用する応力ρと同応力ρによる誘電エラストマ層５に生じる歪み（伸縮）εとの間に図２に実線で示されるような関係の生じる材料によって形成されている。なお、同図の破線は、汎用ゴム等の高分子化合物によって形成された従来の誘電エラストマ層における上記応力ρと上記歪みεとの関係（図４の実線と同じ）を示している。

同図の実線から分かるように、この材料に関しては、それに作用する応力ρに基づく歪みεが「０」から「０」よりも大きく且つ「０」に近い値となるまでの領域である低歪み領域でのヤング率Ｅ（＝ρ／ε）が、前記低歪み領域よりも歪みεが大きな値となる領域である高歪み領域でのヤング率Ｅに比べて小さくなるものが用いられる。ちなみに、上記材料における低歪み領域でのヤング率Ｅは、従来の材料（汎用ゴム等）における図４の領域Ｂでのヤング率Ｅとほぼ等しい値となり、具体的には「０」よりも大きく且つ０．５ＭＰａ未満程度の値となる。すなわち、こうした低歪み領域でのヤング率Ｅの得られる材料が上記誘電エラストマ層５の形成に用いられている。同材料の具体例としては、架橋点の動く高分子化合物（高分子ゲル等）、例えばポリロタキサンがあげられる。このポリロタキサンは、環状分子の開口部が直鎖状分子によって串刺し状に包接されてなる擬ポリロタキサンの両末端（直鎖状分子の両末端）に、環状分子が遊離しないように封鎖基を配置してなるものであり、例えば環状分子としてα−シクロデキストリン、直鎖状分子としてポリエチレングリコールを用いたものがあげられる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）作用する応力ρと同応力ρによる歪みεとが図２に実線で示される関係を有する材料で誘電エラストマ層５を形成することにより、歪み「０」である通常状態の誘電エラストマ層５の表裏両面に電極６，７を取り付けるだけで、アクチュエータの作動量を大きくすることができる。すなわち、電極６，７に対する電圧印可及び同電圧印可の解除によって生じる誘電エラストマ層５の歪みが大きくなるため、その歪みの分だけ誘電エラストマ層５が伸縮することにより作動するアクチュエータの作動量が大きくされるようになる。従って、アクチュエータの作動量を大きくするため、誘電エラストマ層５を伸ばして歪みを生じさせた状態で電極６，７を取り付けることにより、誘電エラストマ層５を通常状態（電極６，７に対する電圧印可の解除状態）において上記歪みの生じた状態とする予備歪み処理を施す必要はなくなる。

（２）誘電エラストマ層５を形成する材料として、架橋点の動く高分子化合物、より具体的にはポリロタキサンが用いられる。こうした材料に関しては、低歪み領域でのヤング率Ｅが高歪み領域でのヤング率Ｅよりも小さくなる、言い換えれば作用する応力ρの変化に対する歪みεの変化が高い歪み領域よりも低歪み領域で大きくなるという特性を有する。従って、上記材料により誘電エラストマ層５を形成することにより、上述した（１）の効果が好適に得られるようになる。

（３）アクチュエータは、円筒状とされたシート体１の内部に配置されたコイルスプリング２の弾性力により、同アクチュエータの中心線方向に伸びるよう付勢されている。このため、シート体１の電極６．７への電圧の印可によりアクチュエータをその中心線方向に伸ばす際、アクチュエータが同中心線方向と直交する方向に膨張することを上記弾性力により極力抑えることができる。その結果、アクチュエータの変位が上記中心線方向に限られることになり、それによって電極６．７への電圧印可及び同電圧印可の解除による上記中心線方向へのアクチュエータの変位量（作動量）が大きくされるようになる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・図３に示されるように、アクチュエータにおける円筒状のシート体１の外周面周りに円筒状のカバー９を配置し、そのカバー９によってアクチュエータにおけるその中心線方向と直交する方向への膨張を抑えるようにしてもよい。

・誘電エラストマ層５を形成するための材料として、図２に示される低歪み領域でのヤング率Ｅが「０」よりも大きく０．５ＭＰａ未満程度の値となる材料を用いたが、そのヤング率Ｅに関しては上記の数値に限定されるものではない。

・誘電エラストマ層５を形成するための材料として、ポリロタキサン以外の架橋点の動く高分子化合物を用いてもよい。
・誘電エラストマ層５を形成するための材料として、架橋点の動く高分子化合物以外で図２に実線で示されるような特性を有する材料を用いることも可能である。

（ａ）〜（ｃ）は、アクチュエータの通常状態、同アクチュエータを通常状態から伸ばした状態、及びアクチュエータを構成するシート体の詳細な構造を示す概略図。 誘電エラストマ層を形成するための材料に作用する応力ρと同応力ρによる歪みεとの関係を示すグラフ。 アクチュエータの他の例を示す概略図。 誘電エラストマ層を形成するための材料に作用する応力ρと同応力ρによる歪みεとの関係を示すグラフ。

符号の説明

１…シート体、２…コイルスプリング、３…ナット、４…ナット、５…誘電エラストマ層、６…電極、７…電極、８…電源、９…カバー。

Claims (3)

1. 弾性を有する誘電エラストマ層の表裏両面にそれぞれ電極が設けられてなるシート体を渦巻き状にロールさせて円筒状とし、その電極に対する電圧印可及び同電圧印可の解除によって前記誘電エラストマ層を伸縮させることにより作動するアクチュエータにおいて、
   前記誘電エラストマ層は、電圧印可の解除状態に歪みの生じた状態とするための予備歪み処理が施されておらず、
   前記円筒状とされたシート体の内部にはコイルスプリングが配置され、
   前記誘電エラストマ層に関しては、作用する応力に基づく歪みが「０」から「０」よりも大きく且つ「０」に近い値となるまでの領域である低歪み領域でのヤング率が、前記低歪み領域よりも歪みが大きな値となる領域である高歪み領域でのヤング率と比べて小さくなる材料によって形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記誘電エラストマ層を形成する材料は、架橋点の動く高分子化合物である請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記架橋点の動く高分子化合物は、ポリロタキサンである請求項２記載のアクチュエータ。

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