JP7089979B2 - アクチュエーター - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエーターに関する。

電気的入力を機械的出力に変換するデバイスの一つとして、誘電エラストマーアクチュエーターが検討されている。かかるアクチュエーターは、一対の電極層によりエラストマー層が狭持された構造を有し、電極に電圧が印加された場合に、エラストマー層の拡がる方向に伸縮する。このような誘電エラストマーアクチュエーターでは、電極間に生じるクーロン力が駆動原理の一つとなっている。

例えば、特許文献１には、一対の電極間に誘電エラストマーを狭持したアクチュエーターが開示されている。同文献では、絶縁破壊強度の向上及びアクチュエーターの変位量の向上のために、誘電エラストマーを二次元方向にあらかじめ延伸して電極で狭持することを試みている。

特表２００３－５０５８６５号公報

本発明に係る課題の一つは、誘電エラストマーの変形性能を十分に引き出した変位量の大きいアクチュエーターを提供することにある。

本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

本発明に係るアクチュエーターの一態様は、
中間層と、前記中間層を挟んで対向して配置される第１駆動層及び第２駆動層と、を含み、
前記第１駆動層及び前記第２駆動層は、それぞれ第１電極、第１方向に延伸された誘電エラストマー層及び第２電極を含み、
前記中間層は、抑制部材を含み、
前記抑制部材は、前記第１駆動層に接着する第１接着部と、前記第２駆動層に接着する第２接着部と、を含み、
前記第１方向において隣り合う前記第１接着部が互いに第１間隔を隔てて配置され、
前記第１方向において隣り合う前記第２接着部が互いに第２間隔を隔てて配置され、
前記抑制部材は、前記第１間隔及び前記第２間隔が、前記誘電エラストマー層の復元力によって前記第１方向に狭まることを制限する。

本発明に係るアクチュエーターの一態様は、
中間層と、前記中間層を挟んで対向して配置される駆動層及び第１方向に延伸されたエラストマー層と、を含み、
前記駆動層は、第１電極、誘電エラストマー層及び第２電極を含み、
前記中間層は、抑制部材を含み、
前記抑制部材は、前記駆動層に接着する第１接着部と、前記エラストマー層に接着する
第２接着部と、を含み、
前記第１方向において隣り合う前記第１接着部が互いに第１間隔を隔てて配置され、
前記第１方向において隣り合う前記第２接着部が互いに第２間隔を隔てて配置され、
前記抑制部材は、前記第１間隔及び前記第２間隔が、前記エラストマー層の復元力によって前記第１方向に狭まることを制限する。

本発明に係るアクチュエーターにおいて、
前記第１接着部は、前記第１方向に直交する第２方向に沿う直線上にあり、
前記第２接着部は、前記第２方向に沿う直線上にあってもよい。

本発明に係るアクチュエーターにおいて、
前記抑制部材は、前記第１方向に直交する第２方向に延びる棒部材を複数含み、
前記棒部材の前記第２方向に垂直な断面の外形が円形であり、
隣り合う前記棒部材が、互いに接触する状態で前記第１方向に配置され、
前記第１接着部及び前記第２接着部が、それぞれ前記棒部材の外周面の一部であってもよい。

本発明に係るアクチュエーターにおいて、
前記抑制部材は、前記第１方向に延びる連結部と、
前記連結部から、前記第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とに直交する第３方向に延びて前記第１接着部を形成する複数の第１支持部と、
前記連結部から、前記第３方向に延びて前記第２接着部を形成する複数の第２支持部と、
を含んでもよい。

本発明に係るアクチュエーターは、誘電エラストマーの変形と、エラストマーの復元力を利用することにより、大きく変位させることができる。

第１実施形態に係るアクチュエーターの一例を模式的に示す斜視図。 第１実施形態に係るアクチュエーターの一例の縦断面の模式図。 第１実施形態に係るアクチュエーターの一例の動作を模式的に示す斜視図。 第１実施形態に係るアクチュエーターの一例の動作を示す縦断面の模式図。 変形例の抑制部材を有するアクチュエーターの一例の縦断面の模式図。 変形例の抑制部材を有するアクチュエーターの一例の縦断面の模式図。 変形例の抑制部材を有するアクチュエーターの一例の縦断面の模式図。 第２実施形態に係るアクチュエーターの一例の縦断面の模式図。 誘電エラストマーのＳ－Ｓカーブの例を示すグラフ。

以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。

１．第１実施形態
１．１．アクチュエーターの構造
図１は、本実施形態に係るアクチュエーター１００を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係るアクチュエーター１００の縦断面の模式図である。

本実施形態のアクチュエーター１００は、中間層３０と、中間層３０を挟んで対向して配置される第１駆動層１０及び第２駆動層２０と、を含む。本実施形態に係るアクチュエーター１００は、図１及び図２に示すように、第１駆動層１０及び第２駆動層２０の２つの駆動層によって中間層３０が狭持されており、第１駆動層１０、中間層３０及び第２駆動層２０が、順に積層された構造となっている。

１．１．１．第１駆動層
第１駆動層１０は、第１電極２、誘電エラストマー層４及び第２電極６を含む。第１電極２、誘電エラストマー層４及び第２電極６は順次積層されており、第１電極２及び第２電極６の間に誘電エラストマー層４が配置された構造となっている。

第１電極２は、第２電極６と対になって誘電エラストマー層４に対して電圧（電界）を印加する一方の電極である。第１電極２は、電圧を印加する機能を発揮でき、かつ誘電エラストマー層４の変形に追従できればよく、形状、材質、電気抵抗等は限定されない。第１電極２の形状としては、例えば、平板状、フィルム状、塗膜状等である。第１電極２には１つ以上の孔が開いていてもよく、例えば、平面的に見てスリット等が形成されてもよい。また、例えば、第１電極２は、平面的に見て櫛形、網目等の形状となっていてもよい。

第１電極２が第２電極６とともに狭持する誘電エラストマー層４の領域は、誘電エラストマー層４の全体であってもよいし、誘電エラストマー層４の一部であってもよい。第１電極２と誘電エラストマー層４とは、直接接していてもよいし、例えば、接着層等の他の層を介して接していてもよい。

第１電極２の材質としては、導電性を有する材質であって、例えば、アルミニウム、銅、金等の金属、各種金属の合金、カーボン、導電性酸化物、導電性ポリマー、導電性ペースト等を例示できる。

また、第１電極２は、誘電エラストマー層４の変形に対して追従できるような材質であることがより好ましい。また、第１電極２の材質として、例えば、導電性ポリマーやカーボンペースト、銀ペースト等を採用することにより、誘電エラストマー層４の変形に追従して変形し易くできる。

第１電極２の厚さは、材質に依存するが、例えば、導電性の塗膜である場合には、１μｍ以上５００μｍ以下であり、好ましくは５μｍ以上３００μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上２００μｍ以下である。

第２電極６は、第１電極２と対になって誘電エラストマー層４に対して電圧（電界）を印加する他方の電極である。第２電極６は、電圧を印加する機能を発揮でき、かつ、誘電エラストマー層４の変形に追従できればよく、形状、材質等は限定されない。第２電極６の形状は、上記の第１電極２と同様である。また、第２電極６が第１電極２とともに狭持する誘電エラストマー層４の領域、第２電極６の材質及び厚さについても上記の第１電極２と同様である。

誘電エラストマー層４は、第１電極２及び第２電極６に狭持される。誘電エラストマー層４は、第１電極２及び第２電極６に電圧が印加されたときに、第１電極２と第２電極６とがクーロン力によって引き合うことにより、厚さ方向に圧縮される。これにより、誘電エラストマー層４の厚さ方向に直交する方向に、第１駆動層１０が伸びることができる。本実施形態においては、厚さ方向はｚ軸に沿う方向である。

誘電エラストマー層４は、あらかじめ第１方向に延伸された状態で第１電極２及び第２電極６に狭持される。又は、誘電エラストマー層４は、延伸される前に第１電極２及び第２電極６と積層されて第１駆動層１０となった後、第１駆動層１０が第１方向に延伸されて第１電極２及び第２電極６に狭持される。これらのいずれの場合においても、アクチュエーター１００が形成された時点において、誘電エラストマー層４は、あらかじめ第１方向に延伸された状態で中間層３０に固定されることとなる。第１駆動層１０は、誘電エラストマー層４が第１方向に延伸された状態であるので、第１方向に収縮しようとする復元力を有している。

ここで「第１方向」とは、誘電エラストマー層４の厚さ方向に直交する方向である。また、第１方向は、誘電エラストマー層４の第１電極２又は第２電極６との境界面に沿う方向である。本実施形態においては、第１方向はｘ軸に沿った正又は負の方向である。

誘電エラストマー層４は、第１方向に延伸された状態でアクチュエーター１００の一部材となっているが、第１方向に交差する方向（誘電エラストマー層４の第１電極２又は第２電極６との境界面に沿う方向）に延伸された状態であってもよい。例えば、誘電エラストマー層４は、第１方向に直交する第２方向に延伸されていてもよい。

ここで「第２方向」とは、誘電エラストマー層４の第１電極２又は第２電極６との境界面に沿う方向であって、第１方向に直交する方向である。本実施形態においては、第２方向は、ｙ軸に沿った正又は負の方向である。

誘電エラストマー層４は、延伸された状態でアクチュエーター１００を構成するが、当該延伸は一軸又は多軸の延伸であってよく、収縮しようとする復元力が第１方向の成分を含んでいればよい。

誘電エラストマー層４が延伸された状態で第１駆動層１０が中間層３０に固定されることによって、誘電エラストマー層４の厚さが小さくなり、第１電極２と第２電極６とに電場を印加した際に生じるクーロン力をより大きくすることができる。そのため、延伸しない場合と比較して、第１方向の変形をより大きくすることができる。また、誘電エラストマー層４が延伸されて中間層３０に固定されることによって、誘電エラストマー層４のヤング率が低く曲げやすい伸張領域での動作を利用しやすくなり、アクチュエーター１００の動作における早い応答性及び小さい電力による大きな変形を得やすくなる。

誘電エラストマー層４の延伸率が低すぎると、アクチュエーター１００の動作時のゴム弾性による復元力が低くなることで変形量が低下し、誘電エラストマー層４の延伸率が高すぎると、アクチュエーター１００の動作時に破断伸びに近い領域で動作することとなるので、動作中に破断してしまうおそれがある。そのため、採用する材料や厚さに応じて適宜の延伸率とすることが好ましい。

誘電エラストマー層４の厚さは、１０μｍ以上１ｍｍ以下、好ましくは１０μｍ以上８００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以上５００μｍ以下である。誘電エラストマー層４の厚さが薄過ぎると、アクチュエーター１００の組立工程において誘電エラストマー層４が破れやすくなる場合がある。また、誘電エラストマー層４の厚さが厚過ぎると、誘電エラストマー層４の弾性が大きくなり、２軸の延伸が困難となる場合がある。さらに、アクチュエーター１００の動作時の電極間の距離が大きくなるため印加電圧に対する応答性が低下する傾向がある。

誘電エラストマー層４の材質としては、絶縁性を有し、ゴム弾性を有するものであれば特に限定されず、例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢ
Ｒ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリル系エラストマー等が挙げられる。これらの中でも、誘電エラストマー層４に用いる材料としては、シリコーンゴムやウレタンゴム、アクリル系エラストマーなどがより好適である。

また、誘電エラストマー層４に用いる材料は、剛性が低くかつ高伸びを有した材料が好適である。具体的には、誘電エラストマー層４に用いる材料の機械的物性としては、ＪＩＳ Ｋ６２５１に基づく引っ張り試験における６００％伸張時のモジュラスが０．０３ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下、好ましくは０．０３ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下、より好ましくは０．０５ＭＰａ以上０．３ＭＰａ以下の範囲、かつ、破断伸びが８００％以上、好ましくは１０００％以上である材料がさらに適している。

第１駆動層１０は、誘電エラストマー層４が第１方向に延伸された状態となっているので、第１方向に収縮しようとする復元力を有している。すなわち、アクチュエーター１００が形成されたとき、第１駆動層１０は、常にゴム弾性によって元の形状に戻ろうとしている状態となる。本実施形態のアクチュエーター１００では、第１方向に収縮しようとする復元力を有する第１駆動層１０を中間層３０に固定化し、後述の第２駆動層２０とともに中間層３０を挟んで両側で復元力が釣り合った状態で延伸状態が維持されるように固定される。

１．１．２．第２駆動層
第２駆動層２０は、中間層３０を挟んで第１駆動層１０と対向して配置されている。第２駆動層２０は、本実施形態では第１駆動層１０と同様に第１電極２、誘電エラストマー層４及び第２電極６を含む。第１電極２、誘電エラストマー層４及び第２電極６の形状、機能、材質、物性等は、上述した第１駆動層１０と同様である。

第２駆動層２０においても、誘電エラストマー層４が、延伸されることによって、誘電エラストマー層４の厚さが小さくなり、第１電極２と第２電極６とに電場を印加した際に生じるクーロン力をより大きくすることができる。そのため、延伸しない場合と比較して、より大きく第１方向に第２駆動層２０を変形させることができる。また、誘電エラストマー層４が、延伸されることによって、誘電エラストマー層４のヤング率が低く曲げやすい伸張領域での動作を利用しやすくなり、早い応答性及び小さい電力による大きな変形を得やすくなる。

第２駆動層２０は、アクチュエーター１００を構成した場合には、上述の第１駆動層１０と同様に、第１方向に延伸された状態であるので、第１方向に収縮しようとする復元力を有している。すなわち、アクチュエーター１００を構成した場合、第２駆動層２０も、常にゴム弾性によって元の形状に戻ろうとしている状態となっている。この第１方向に収縮しようとする復元力を有する第２駆動層２０を中間層３０に固定化し、上述の第１駆動層１０とともに中間層３０を挟んで両側で、第１駆動層１０の復元力と第２駆動層２０の復元力が、釣り合った状態で延伸状態が維持されるように固定される。

なお、アクチュエーター１００では、図１に示すように、第１駆動層１０の第２電極６が中間層３０側に配置されており、第２駆動層２０の第１電極２が中間層３０側に配置されている。しかし第１駆動層１０及び第２駆動層２０の第１電極２及び第２電極６は、いずれが中間層３０側に配置されてもよい。

１．１．３．中間層
中間層３０は、抑制部材３６を含む。抑制部材３６は、第１駆動層１０に接着する第１接着部３２と、第２駆動層２０に接着する第２接着部３４とを有する。

第１接着部３２は、抑制部材３６の第１駆動層１０に接着する部分である。第１接着部３２は複数設けられる。また第１接着部３２は、第１駆動層１０の第２電極６に接着していてもよいし、例えば、第２電極６に孔が存在する場合には、当該孔の内側で誘電エラストマー層４に接着していてもよい。

第１接着部３２は、第１方向において隣り合う第１接着部３２が互いに第１間隔Ｐ１を隔てて配置される。図示の例では複数存在する第１間隔Ｐ１は、互いに等しい間隔であるが、抑制部材３６の形状によっては、複数の第１間隔Ｐ１の全てが互いに同じでも異なってもよい。

第１接着部３２は、中間層３０が展開する面における第１方向に交差する第２方向に沿う直線上にあるように配置されている。各駆動層と抑制部材３６とは、第２方向に沿って連続的に接着されてもよいし、不連続に接着されてもよい。図１及び図２の例では、第１接着部３２は、第１方向（ｘ）に直交する第２方向（ｙ）に沿って、直線状に形成されている。

第２接着部３４は、抑制部材３６の第２駆動層２０に接着する部分である。第２接着部３４の数、第２駆動層２０との接着の態様については第１接着部３２と同様である。第２接着部３４は、第１接着部３２と同様に第１方向（ｘ）に直交する第２方向（ｙ）に沿って、直線上に形成されている。

第２接着部３４は、第１方向において隣り合う第２接着部３４が互いに第２間隔Ｐ２を隔てて配置される。図示の例では、第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２は、等しくなっている。また図示において複数存在する第２間隔Ｐ２は、互いに等しい間隔であるが、複数の第２間隔Ｐ２は互いに同じでも異なってもよい。

第１接着部３２及び第２接着部３４には、接着剤を用いることができる。接着剤は、電極層や誘電エラストマー層４の材質に合わせて相溶性の高い材質のものを選ぶことが好ましい。例えば、抑制部材３６が誘電エラストマー層４と接着される場合であって誘電エラストマー層４がシリコーンゴムである場合、シリコーン系の接着剤を用いることが好ましい。また電極層が導電性ペーストに接着剤成分が含まれている場合などには、接着剤を用いることなく抑制部材３６を電極層と該導電性ペーストによって接着することも可能である。

抑制部材３６は、第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２が、誘電エラストマー層４（第１駆動層１０及び第２駆動層２０）の復元力によって第１方向に狭まることを制限する。なお、第１電極２及び第２電極６に電圧が印加されて、第１駆動層１０及び第２駆動層２０のいずれかが動作した場合には、第１間隔Ｐ１又は第２間隔Ｐ２の間隔が狭まることが許容される。

抑制部材３６は、図１及び図２の例では、第１方向に直交する第２方向に延びる棒部材４２を複数含み、棒部材４２の第２方向に垂直な断面の外形が円形であり、隣り合う前記棒部材４２が、互いに接触する状態で第１方向に配置され、第１接着部３２及び第２接着部３４が、それぞれ棒部材４２の外周面の一部となっている。また図示の例では第１接着部３２及び第２接着部３４は、棒部材４２の中心軸を挟んで対向した位置にある。

抑制部材３６と電極層及び／又は誘電エラストマー層４との接着面積（各接着部の面積）はより小さい方が好ましい。接着部の面積が大きくなるにつれ、誘電エラストマー層４の第１方向への伸長変形を拘束しやすくなり、アクチュエーターの変位量が低下する傾向
がある。

また、図示の例では、棒部材４２は、中空の円筒状であるが、中実の円柱状であってもよい。また、隣り合う棒部材４２の間は、接着されずに接触している。隣り合う棒部材４２の間が接触していれば、第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２が、第１駆動層１０及び第２駆動層２０の復元力によって第１方向に狭まることを制限できる。また、隣り合う棒部材４２の間が接着されていないことにより、アクチュエーター１００をより変形しやすくできる。すなわち隣り合う棒部材４２の間が接着されていないので、隣り合う棒部材４２が回転しながら相対的な位置の変化を容易に行うことができる構造となる。

棒部材４２の材質としては、金属、セラミックス、樹脂材料などが適用できる。特に、隣り合う棒部材４２の間が接着されず接触しているので、結晶性が高く低摩擦係数かつ高ヤング率、を示す材質が好ましい。そのような材質としては、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミドなどのエンジニアリングプラスチック材料が挙げられる。また、棒部材４２と第１駆動層１０及び第２駆動層２０との間（中間層３０の抑制部材３６以外の部分）には、厚さ方向への中間層３０の変形を抑制しない弾性体を満たしてもよい。弾性体としては、天然ゴム、イソプレンゴム、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム等のゴム、スチレン系、オレフィン／アルケン系、塩化ビニル系、ウレタン系、アミド系の熱可塑性樹脂、及びその発泡体などの柔軟な材料を用いることができる。

なお本実施形態では、第１駆動層１０及び第２駆動層２０の２つの駆動層によって中間層３０が狭持されている例を説明したが、これに限らず、駆動層と中間層３０の間に他の層を有してもよいし、駆動層の中まで中間層３０の一部が入り込んでもよい。

１．２．アクチュエーターの動作
図３は、本実施形態のアクチュエーター１００の動作を模式的に示す斜視図である。図４は、本実施形態に係るアクチュエーター１００が動作した場合の縦断面の模式図である。

図３及び図４の例は、本実施形態のアクチュエーター１００の第１駆動層１０の第１電極２と第２電極６との間に電圧が印加され、両電極間にクーロン力が生じた場合を示している。第１駆動層１０の第１電極２と第２電極６との間に電圧が印加された場合、第１駆動層１０の第１方向への伸びが発生する。

第１駆動層１０が第１方向に伸びると、アクチュエーター１００は、第１駆動層１０の伸びに基づく屈曲変形と、第２駆動層２０の復元力による屈曲変形とが生じる。すなわち、本実施形態のアクチュエーター１００では、第１駆動層１０の伸びによって第１駆動層１０の復元力と第２駆動層２０の復元力の釣り合いが崩れ、伸びに基づく屈曲変形及び復元力に基づく屈曲変形の２つの機構によって屈曲変形を起こす。このように誘電エラストマー層４を第１方向に延伸して用いることにより、アクチュエーター１００の変位量を非常に大きくできる。

アクチュエーター１００の第１駆動層１０が第１方向に伸びる場合の屈曲変形は、ｘ軸のプラス側に向かう方向がｚ軸のプラス側向かう方向に屈曲するような変形である。図示の例では、ｚ軸のマイナス側に第１駆動層１０が存在しており、第１駆動層１０の伸長により、第２駆動層２０が内側となるように湾曲する。すなわち、ｘ－ｙ平面に展開するアクチュエーター１００が、ｚ軸に沿った方向（厚さ方向）に屈曲する。このとき棒部材４２は、隣り合う棒部材４２の外周に沿って移動する。なお、本実施形態において、誘電エ
ラストマー層４の厚さ方向を第３方向ということがあり、第３方向は、ｘ軸及びｙ軸に直交するｚ軸に沿った正又は負の方向である。

また、アクチュエーター１００は、ｙ軸のプラス側に向かう方向がｚ軸のプラス側向かう方向となるような屈曲は、ほとんど又は全く生じない。これは棒部材４２が第２方向に延在し、第１駆動層１０及び第２駆動層２０の第２方向への変形を拘束していることによる。

第１駆動層１０の第１電極２と第２電極６とに、互いに異なる極性の電位を印加すれば、第１駆動層１０を第１方向に伸ばすことができる。また、第１電極２及び第２電極６のいずれかを接地電位としてもよい。このような電位は、例えば、公知の電圧発生装置（電池、電圧印加回路等）により印加することができる。

図２及び図４を用いて、本実施形態のアクチュエーター１００の屈曲構造における棒部材４２の力学的モデルを説明する。図２の状態では、第１駆動層１０及び第２駆動層２０が駆動しておらず、棒部材４２は、隣接する棒部材４２と接触している。これにより第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２が、棒部材４２によって一定に維持されている。また図２の状態では、第１駆動層１０及び第２駆動層２０における誘電エラストマー層４の復元力は、第１方向において釣り合っており、アクチュエーター１００が屈曲せず平面的な形状となっている。

ここで第１駆動層１０の第１電極２及び第２電極６に電圧が印加されると、図４に示す状態となる。図４の状態では、第１駆動層１０が第１方向に伸びて第１間隔Ｐ１のそれぞれが拡がる。また図２の状態で第１方向において第１駆動層１０の復元力と釣り合っていた第２駆動層２０が、自身の復元力により収縮することにより、第２間隔Ｐ２のそれぞれが狭まる。またこのとき隣り合う棒部材４２同士が接触しながら移動することで、図示のように、第２駆動層２０を内側とした屈曲変形が生じる。

また、図４に示すように、棒部材４２は円筒状であるので、隣り合う棒部材４２の中心軸間の距離Ｇは、屈曲した状態でも常に一定となる。このとき第１駆動層１０の第２方向の変形は、第１接着部３２を介して接着された棒部材４２によって拘束される。

また、図示しないが、アクチュエーター１００の第２駆動層２０の第１電極２と第２電極６との間に電圧が印加され、両電極間にクーロン力が生じた場合では、屈曲が反対となるように動作する。

１．３．駆動層のバリエーション
本実施形態のアクチュエーター１００では、第１駆動層１０及び第２駆動層２０は、それぞれ第１電極２、誘電エラストマー層４及び第２電極６の３層の組となっており、その組が単層で構成され、誘電エラストマー層４は１層ずつ配置されている。しかし、第１駆動層１０及び第２駆動層２０は、いずれも誘電エラストマー層４を２層以上有してもよい。

例えば、第１駆動層１０が誘電エラストマー層４を２層有する態様としては、第１電極２、誘電エラストマー層４、第２電極６、誘電エラストマー層４及び第１電極２の順で積層された構造としてもよい。また例えば、第１駆動層１０が誘電エラストマー層４を２層有する態様としては、第１電極２、誘電エラストマー層４、第２電極６、絶縁層、第１電極２、誘電エラストマー層４及び第１電極２の順で積層された構造としてもよい。このようにすることにより、第１駆動層１０の変形する力を強めることができる場合がある。第２駆動層２０についても同様の構成とすることができる。なお、このような場合には、誘
電エラストマー層４の両側に電極層が存在するように構成され、１つの誘電エラストマー層４の両側の電極層には互いに極性の異なる電圧が互い違いに印加されることにより駆動する。

また、第１駆動層１０及び第２駆動層２０は、各層の厚さや積層数等において、同じである必要はない。例えば、中間層３０の両側で第１駆動層１０及び第２駆動層２０のゴム弾性による復元力が釣り合っていれば、両側で誘電エラストマー層４の枚数が異なっていてもよい。

１．４．抑制部材のバリエーション
抑制部材３６は、第１接着部３２と第２接着部３４とを有し、第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２が、誘電エラストマー層４の復元力によって第１方向に狭まることを制限することができ、かつ、厚さ方向の屈曲を許容できれば、任意の形態とすることができる。

図５、図６及び図７は、変形例の抑制部材３６を有するアクチュエーターの縦断面の模式図である。図５に示すアクチュエーター１０１では、抑制部材３６は、第１方向に延びる連結部４３と、連結部４３から、第１方向と第１方向に直交する第２方向とに直交する第３方向に延びて第１接着部３２を形成する複数の第１支持部４４と、連結部４３から、第３方向に延びて第２接着部３４を形成する複数の第２支持部４５と、から構成されている。また、連結部４３、第１支持部４４及び第２支持部４５は、一体的に形成されている。

アクチュエーター１０１では、アクチュエーター１０１の動作を阻害しないようにするため、第１方向に並ぶ複数の第１支持部４４の間の間隔（第１間隔Ｐ１）は、第１支持部４４の第１方向の幅よりも広い間隔で配置することがより好ましい。第２支持部４５においても、第１方向に並ぶ複数の第２支持部４５の間の間隔（第２間隔Ｐ２）は、第２支持部４５の第１方向の幅よりも広い間隔で配置することがより好ましい。

また、アクチュエーター１０１では、第１支持部４４及び第２支持部４５は、第１駆動層１０及び第２駆動層２０の第２方向への収縮を抑制している。また、第１駆動層１０及び第２駆動層２０が駆動していない状態で、連結部４３が第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２が狭まらないようにする機能を担っている。

アクチュエーター１０１の抑制部材３６の構造の利点の一つとしては、中間層３０と各駆動層との接着部である第１接着部３２及び第２接着部３４が点接触ではなく面接触となるため、接着面積を確保しやすく、かつ第１支持部４４及び第２支持部４５の寸法や間隔を調節しやすいことが挙げられる。これにより第１駆動層１０及び第２駆動層２０の変形の形態を調整しやすくなる。

また、連結部４３の機能としては、第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２が狭まらないようにすることが挙げられるが、アクチュエーター１０１が屈曲する動作を妨げない程度のｚ軸方向（第１方向及び第２方向に直交する方向）の柔軟さを有することが好ましい。すなわち、連結部４３の材質は、誘電エラストマー層４よりもヤング率（曲げ剛性）が低い材料が適している。

連結部４３、第１支持部４４及び第２支持部４５の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ（メタ）アクリル酸などの汎用プラスチック、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミドなどのエンジニアリングプラスチックなどを例示することができる。

なお、アクチュエーター１０１の例では、第１支持部４４及び第２支持部４５が連結部４３に対して対称に配置されているが、これに限定されず、第１支持部４４及び第２支持部４５が断面視において連結部４３を挟んでずれて（例えば千鳥状に）配置されてもよい。

図６に示す変形例の抑制部材３６を有するアクチュエーター１０２において、抑制部材３６は、第１方向に延びる連結部４３と、連結部４３から、第３方向に延びて第１接着部３２を形成する複数の第１蛇腹部材４６と、連結部４３から、第３方向に延びて第２接着部３４を形成する複数の第２蛇腹部材４７と、から構成されている。また、連結部４３、第１蛇腹部材４６及び第２蛇腹部材４７は、一体的に形成されている。

アクチュエーター１０２では、第１蛇腹部材４６及び第２蛇腹部材４７が、第１駆動層１０及び第２駆動層２０の第２方向への収縮を抑制している。また、第１駆動層１０及び第２駆動層２０が駆動していない状態で、連結部４３が第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２が狭まらないようにする機能を担っている。

また、アクチュエーター１０２では、第１駆動層１０及び第２駆動層２０は、第１蛇腹部材４６及び第２蛇腹部材４７の頂点部分と接着され、第１接着部３２及び第２接着部３４を形成しているが、第１蛇腹部材４６及び第２蛇腹部材４７の頂点を滑らかあるいは平坦にして、当該接着面積を増大させてもよい。連結部４３と、第１蛇腹部材４６及び第２蛇腹部材４７との接着部分についても同様である。

アクチュエーター１０２の抑制部材３６の構造の利点の一つとしては、アクチュエーター１０１の抑制部材３６の構造における応力集中箇所となり得る連結部４３と第１支持部４４及び第２支持部４５の接着端部を、第１蛇腹部材４６及び第２蛇腹部材４７によって解消した構造になっている点が挙げられる。

第１蛇腹部材４６及び第２蛇腹部材４７の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ（メタ）アクリル酸などの汎用プラスチック、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミドなどのエンジニアリングプラスチックなどを例示することができる。

図７に示す変形例の抑制部材３６を有するアクチュエーター１０３において、抑制部材３６は、第２方向に直交する断面が円環の複数の円筒部材４８を含み、隣り合う円筒部材４８が、互いに離間する状態で第１方向に並べて配置され、隣り合う円筒部材４８のそれぞれの内部を貫通する環状のリング部材４９によって、隣り合う円筒部材４８が連結されて構成されている。アクチュエーター１０３では、リング部材４９が互いに干渉（接触）することにより、第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２が狭まることを抑制する。

アクチュエーター１０３では、円筒部材４８は、第１駆動層１０及び第２駆動層２０の第２方向への収縮を抑制している。また、第１駆動層１０及び第２駆動層２０が駆動していない状態で、リング部材４９が第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２が狭まらないようにしている。円筒部材４８の材質には、金属、セラミックス、樹脂材料などが適用でき、リング部材４９の材質には、汎用プラスチック、エンジニアリングプラスチック等を適用できる。

アクチュエーター１０３の抑制部材３６の構造の利点の一つとしては、あらかじめ中空を有した円筒部材４８同士を、リング部材４９によって連結した状態で固定できるため、組み立て工程において第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２のずれを少なくきる点が挙げられる。

１．５．アクチュエーターの製造方法
本実施形態のアクチュエーターの製造方法の一例として、上述のアクチュエーター１００の製造方法について説明する。

まず、誘電エラストマー層４を２軸同時に延伸可能な治具に設置し、第１方向及び第２方向に同時に延伸する。次に誘電エラストマー層４に第１電極２及び第２電極６を組み付ける。第１電極２及び第２電極６はその形状によって組み付け方法が異なるが、誘電エラストマー層４を予め延伸した状態で組み付ける点は共通である。抑制部材３６と誘電エラストマー層４を直接接着させる場合には、あらかじめ誘電エラストマー層４にマスキングを行って第１電極２及び第２電極６を組み付けてもよい。なお、第１電極２及び第２電極６は、カーボンを塗布して形成してもよいし、蒸着等の方法で形成されてもよい。

抑制部材３６は外部に枠を設けて動かないように固定して組み立てる。その後第１電極２及び第２電極６及び誘電エラストマー層４と接着させる箇所に接着剤を塗布し、延伸された状態で第１電極２及び第２電極６を組み付けた誘電エラストマー層４と貼り合せて接着する。使用する接着剤の種類によっては、誘電エラストマー層４との貼り合わせの後に熱や光などで処理してもよい。

例えば以上の工程により、上述のアクチュエーター１００を製造することができる。

２．第２実施形態
上述の第１実施形態のアクチュエーター１００は、２つの駆動層を有していたが、駆動層は１つであってもよい。すなわち本実施形態に係るアクチュエーター２００は、中間層３０と、中間層３０を挟んで対向して配置される駆動層１０及び第１方向に延伸されたエラストマー層５０と、を含む。

図８は、本実施形態に係るアクチュエーター２００の縦断面を示す模式図である。本実施形態のアクチュエーター２００の中間層３０及び駆動層１０は、それぞれ第１実施形態で述べた中間層３０及び第１駆動層１０と同様であり、同様の符号を付して詳細な説明は省略する。ただし、アクチュエーター２００においては、駆動層１０では、誘電エラストマー層４は、第１方向に延伸されていても延伸されていなくてもよい。

アクチュエーター２００は、エラストマー層５０を有している。エラストマー層５０は、駆動層１０に対して、中間層３０を介して積層して配置されている。エラストマー層５０は、アクチュエーター２００において第１方向に延伸された状態であるので、第１方向に収縮しようとする復元力を有している。

エラストマー層５０は、あらかじめ第１方向に延伸された状態で中間層３０に固定される。本実施形態においても、第１方向は、エラストマー層５０の厚さ方向に直交する方向であり、中間層３０の抑制部材３６が並ぶ方向である。

エラストマー層５０は、第１方向に延伸された状態でアクチュエーター２００の一部材となっているが、第１方向に交差する方向に延伸された状態であってもよい。例えば、エラストマー層５０は、第１方向に直交する第２方向に延伸されていてもよい。ここで第２方向は、図示において「ｙ」方向である。また、換言すると、エラストマー層５０は、延伸された状態でアクチュエーター２００を構成するが、当該延伸は一軸又は多軸の延伸であってよく、延伸の方向が第１方向の成分を含んでいればよい。

エラストマー層５０の材質としては、絶縁性を有し、ゴム弾性を有するものであれば特
に限定されず、例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリル系エラストマー等が挙げられる。

アクチュエーター２００は、中間層３０に対して片側にのみ、第１駆動層１０を有している。そのため、アクチュエーター２００は、エラストマー層５０を内側として屈曲する動作をする。

アクチュエーター２００において、誘電エラストマー層４は延伸していなくてもよい。その場合、中間層３０及び第１駆動層１０の複合体は、エラストマー層５０の復元力に抗することができる程度に曲げ剛性を高くしてもよい。このようにすれば、アクチュエーター２００が駆動しない状態において平面的な形状を維持できる。なお、図示しないが、アクチュエーター２００は、駆動しない状態においてエラストマー層５０を内側として屈曲していてもよい。

エラストマー層５０の材質は、誘電エラストマー層４と同じ材料を適用してもよいし、異なる材料を適用してもよい。具体的には工業的に利用されているゴム弾性を示す材料などがあげられる。例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、アクリロニトリルブダジエンゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムなどが挙げられる。

エラストマー層５０の延伸率は、誘電エラストマー層４の延伸率と同様に、適宜に設定される。

アクチュエーター２００では、誘電エラストマー層４は、あらかじめ例えば第１方向にのみ延伸しておいてもよい。あらかじめ延伸された誘電エラストマー層４とする場合には、上述の第１実施形態のアクチュエーター１００と同様に、エラストマー層５０の復元力と、駆動層１０の復元力とが、中間層３０を挟んで釣り合うように設定すれば、平面形状を維持できる。この場合、抑制部材３６には厚さ方向と第１方向とのヤング率の異方性の高い材料だけでなく、ヤング率が等方性を示す材料を用いることができる。

３．実験例
以下、本発明を実験例によってさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実験例に限定されるものではない。

図９に誘電エラストマーの一例であるシリコーンゴムＡ、Ｂ及びＣの引張試験によって得られたＳ－Ｓ線図（応力－ひずみ曲線）を示す。シリコーンゴムＡ、Ｂ及びＣは、それぞれ架橋剤の量を変量して架橋密度を調整したものである。引張試験は、ＪＩＳ １号ダンベルを２３℃±２℃、引張速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで、ＪＩＳ Ｋ６２５１に準拠して行った。

シリコーンゴムＡは、１００％伸張時のモジュラスが高く、２軸による延伸が困難であった。

シリコーンゴムＢは、適度なモジュラスを示す伸張領域が広く、アクチュエーター動作時の変形量も良好であった。

シリコーンゴムＣは、低伸張領域におけるモジュラスが低すぎるため、延伸した状態での取り扱いが困難であった。

これらの結果より、アクチュエーターに用いる誘電エラストマー層に用いる材料としては、低ヤング率かつ高伸びを有した材料が好適であることが分かった。具体的には、誘電エラストマー層に用いる材質としては、６００％伸張時のモジュラスが０．０３ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下の範囲かつ破断伸びが８００％以上であるような材料が適していることが分かった。

また、シリコーンゴムＢを用いて誘電エラストマー層を予め延伸させて用いる場合、図９における、５０％以上５００％以下の変位の領域で延伸することが好ましいことが分かった。

さらに、延伸率が５０％未満であると、アクチュエーターの動作時のゴム弾性による復元力が低くなることで、変形量が低下すると考えられる。一方、延伸率が５００％を超えると、破断伸びに近い領域でアクチュエーターが動作することとなり、耐久性の点で好ましくない。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

２…第１電極、４…誘電エラストマー層、６…第２電極、１０…第１駆動層、２０…第２駆動層、３０…中間層、３２…第１接着部、３４…第２接着部、３６…抑制部材、４２…棒部材、４３…連結部、４４…第１支持部、４５…第２支持部、４６…第１蛇腹部材、４７…第２蛇腹部材、４８…円筒部材、４９…リング部材、５０…エラストマー層、１００，１０１，１０２，１０３，２００…アクチュエーター、Ｐ１…第１間隔、Ｐ２…第２間隔、Ｇ…距離

Claims (5)

1. 中間層と、前記中間層を挟んで対向して配置される第１駆動層及び第２駆動層と、を含み、
   前記第１駆動層及び前記第２駆動層は、それぞれ第１電極、第１方向に延伸された誘電エラストマー層及び第２電極を含み、
   前記中間層は、抑制部材を含み、
   前記抑制部材は、前記第１駆動層に接着する第１接着部と、前記第２駆動層に接着する第２接着部と、を含み、
   前記第１方向において隣り合う前記第１接着部が互いに第１間隔を隔てて配置され、
   前記第１方向において隣り合う前記第２接着部が互いに第２間隔を隔てて配置され、
   前記抑制部材は、前記第１間隔及び前記第２間隔が、前記誘電エラストマー層の復元力によって前記第１方向に狭まることを制限する、アクチュエーター。
2. 中間層と、前記中間層を挟んで対向して配置される駆動層及び第１方向に延伸されたエラストマー層と、を含み、
   前記駆動層は、第１電極、誘電エラストマー層及び第２電極を含み、
   前記中間層は、抑制部材を含み、
   前記抑制部材は、前記駆動層に接着する第１接着部と、前記エラストマー層に接着する第２接着部と、を含み、
   前記第１方向において隣り合う前記第１接着部が互いに第１間隔を隔てて配置され、
   前記第１方向において隣り合う前記第２接着部が互いに第２間隔を隔てて配置され、
   前記抑制部材は、前記第１間隔及び前記第２間隔が、前記エラストマー層の復元力によって前記第１方向に狭まることを制限する、アクチュエーター。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記第１接着部は、前記第１方向に直交する第２方向に沿う直線上にあり、
   前記第２接着部は、前記第２方向に沿う直線上にある、アクチュエーター。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
   前記抑制部材は、前記第１方向に直交する第２方向に延びる棒部材を複数含み、
   前記棒部材の前記第２方向に垂直な断面の外形が円形であり、
   隣り合う前記棒部材が、互いに接触する状態で前記第１方向に配置され、
   前記第１接着部及び前記第２接着部が、それぞれ前記棒部材の外周面の一部である、アクチュエーター。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
   前記抑制部材は、前記第１方向に延びる連結部と、
   前記連結部から、前記第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とに直交する第３方向に延びて前記第１接着部を形成する複数の第１支持部と、
   前記連結部から、前記第３方向に延びて前記第２接着部を形成する複数の第２支持部と、
   を含む、アクチュエーター。

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