JP2022162265A

JP2022162265A - アクチュエータ

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Publication number: JP2022162265A
Application number: JP2021067002A
Authority: JP
Inventors: 修士中川; Shuji Nakagawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-10-24
Anticipated expiration: 2041-04-12
Also published as: CN115208233A; US11730059B2; US20220328750A1; JP7528850B2

Abstract

【課題】アクチュエータとしての使用形態の多様化を図ることを目的とする。
【解決手段】アクチュエータ１は、可撓性を有するフレキシブル電極１０と、フレキシブル電極１０との対向面２１が絶縁層２２にて被覆されたベース電極２０とを有し、両電極間への電圧の印加によってフレキシブル電極１０が対向面２１に接近するよう変形する。フレキシブル電極１０は、対向面２１上に配置された回転体である。ベース電極２０は、互いに絶縁された複数の電極部２５ａ～２５ｄに分割される。複数の電極部２５ａ～２５ｄは、所定方向に沿って配置される。フレキシブル電極１０は、複数の電極部２５ａ～２５ｄに対して電圧が所定方向に順次印加されると、対向面２１上で自転しながらベース電極２０に対して相対的に所定方向へ移動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関する。

可撓性を有する部材の変形を動力として機械的仕事を行うソフトアクチュエータが知られている（例えば、特許文献１）。

特許第５７１４２００号公報

特許文献１に記載のアクチュエータは、電極間距離に沿った方向又は電極に沿った方向に直線的に動く単純な動作を実現できるに過ぎず、アクチュエータとしての使用形態に改善の余地がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、アクチュエータとしての使用形態の多様化を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のアクチュエータは、可撓性を有するフレキシブル電極と、前記フレキシブル電極との対向面が絶縁層にて被覆されたベース電極とを有し、両電極間への電圧の印加によって前記フレキシブル電極が前記対向面に接近するよう変形するアクチュエータであって、前記フレキシブル電極は、前記対向面上に配置された回転体であり、前記ベース電極は、互いに絶縁された複数の電極部に分割され、前記複数の電極部は、所定方向に沿って配置され、前記フレキシブル電極は、前記複数の電極部に対して前記電圧が前記所定方向に順次印加されると、前記対向面上で自転しながら前記ベース電極に対して相対的に前記所定方向へ移動することを特徴とする。

このような構成により、アクチュエータは、フレキシブル電極をベース電極に対して相対的に移動させる動作を実現することができる。フレキシブル電極の移動経路は、ベース電極を構成する複数の電極部の配置を適宜設定することによって、比較的自由に設計され得る。アクチュエータの仕事を外部に出力する出力部材がフレキシブル電極に取り付けられた場合、出力部材は、フレキシブル電極の移動に従って様々な経路にて移動可能である。よって、本発明のアクチュエータは、使用形態の多様化を図ることができる。

更に好ましい態様として、前記ベース電極は、円環状に形成されて内周面を有し、前記フレキシブル電極は、前記内周面上に配置され、前記対向面は、前記内周面であり、前記所定方向は、前記内周面の周方向に沿う。

このような態様により、フレキシブル電極は、ベース電極の内周面上で自転しながら、内周面上を相対的に移動する。ベース電極は、フレキシブル電極の移動に従って移動することができる。アクチュエータは、様々な形態にてアクチュエータとして使用可能である。よって、アクチュエータは、使用形態の多様化を図ることができる。

更に好ましい態様として、前記フレキシブル電極の移動に従って外部へ仕事を出力する出力部材を更に備え、前記出力部材は、前記ベース電極の内部に配置され、前記ベース電極の前記内周面に対向する外周面を有する回転体であり、前記フレキシブル電極は、前記ベース電極の前記内周面と前記出力部材の前記外周面との両面に接触した状態で前記両面の間に配置される。

このような態様により、出力部材は、フレキシブル電極の移動に従って回転することができる。アクチュエータは、様々な形態にてアクチュエータとして使用可能である。よって、アクチュエータは、使用形態の多様化を図ることができる。

更に好ましい態様として、前記電極部のそれぞれの前記所定方向における長さは、前記フレキシブル電極の前記所定方向における長さよりも短い。

このような態様により、ベース電極の形状が簡素化し得ると共に、ベース電極の設計自由度が向上し得る。しかも、アクチュエータの駆動回路は、フレキシブル電極の移動を精確に制御することができる。フレキシブル電極の移動形態の自由度が向上し得る。よって、アクチュエータは、使用形態の更なる多様化を容易に図ることができる。

本発明によれば、アクチュエータとしての使用形態の多様化を図ることができる。

実施形態１のアクチュエータの構成を模式的に示す図。図１に示すアクチュエータの出力部材を説明する図。図１に示すアクチュエータを駆動する過程を説明する図（その１）。図１に示すアクチュエータを駆動する過程を説明する図（その２）。図１に示すアクチュエータを駆動する過程を説明する図（その３）。実施形態２のアクチュエータを説明する図。図６に示すアクチュエータを駆動する過程を説明する図（その１）。図６に示すアクチュエータを駆動する過程を説明する図（その２）。図６に示すアクチュエータを駆動する過程を説明する図（その３）。実施形態３のアクチュエータを説明する図。実施形態４のアクチュエータを説明する図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。各実施形態において同一の符号を付された構成については、特に言及しない限り、各実施形態において同様の機能を有し、その説明を省略する。

［実施形態１］
図１～図５を用いて、実施形態１のアクチュエータ１について説明する。
図１は、実施形態１のアクチュエータ１の構成を模式的に示す図である。図２は、図１に示すアクチュエータ１の出力部材４０を説明する図である。

アクチュエータ１は、可撓性を有するフレキシブル電極１０の変形を動力として機械的仕事を行うソフトアクチュエータである。アクチュエータ１は、一対の電極間に挟持された誘電エラストマの変形を動力とする従来のソフトアクチュエータとは異なり、フレキシブル電極１０自体が変形する。アクチュエータ１は、各種産業機械又はロボット等に使用される各種アクチュエータに適用可能である。

実施形態１のアクチュエータ１は、フレキシブル電極１０及びベース電極２０の両電極間への電圧の印加により発生するクーロン力によって、ベース電極２０のフレキシブル電極１０との対向面２１にフレキシブル電極１０が接近するようフレキシブル電極１０を変形させる（図３を参照）。この際、アクチュエータ１は、ベース電極２０の一部とフレキシブル電極１０との間に電圧を印加する。その後、アクチュエータ１は、両電極間への電圧の印加を停止して、フレキシブル電極１０の一部を復元させる（図４を参照）。その後、アクチュエータ１は、ベース電極２０の他の一部とフレキシブル電極１０との間に電圧を印加する（図５を参照）。このような電圧の印加と停止とを繰り返すことによって、アクチュエータ１は、フレキシブル電極１０をベース電極２０に対して相対的に移動させる動作を実現することができる。本実施形態では、フレキシブル電極１０がベース電極２０に対して相対的に移動する方向を、「相対移動方向Ｒ」とも称する。相対移動方向Ｒは、特許請求の範囲に記載された「所定方向」の一例である。

アクチュエータ１は、可能性を有するフレキシブル電極１０と、フレキシブル電極１０を変形させるクーロン力を発生させるために電圧を印加するためのベース電極２０とを備える。

フレキシブル電極１０は、可撓性を有する導電体によって形成される。フレキシブル電極１０の可撓性は、ベース電極２０との間に電圧が印加されることにより発生するクーロン力の作用によって変形し、当該電圧の印加が停止されると、原形（変形前の形状、すなわち当該電圧が印加される前の形状）に復元するような可撓性である。

フレキシブル電極１０は、導電ゴム又は導電ゲル等を用いて形成されてもよい。この導電ゴムとしては、例えば、導電材を混ぜ合わせて成形されたエラストマが挙げられる。この導電材としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック若しくはカーボンナノチューブの微粉末、銀若しくは銅の金属微粉末、又は、シリカ若しくはアルミナ等の絶縁体にスパッタ等によって金属をコートしたコアシェル構造の導電体微粉末等が挙げられる。上記の導電ゲルとしては、例えば、３次元ポリマーマトリックスの中に、水若しくは保湿剤等の溶媒、電解質及び添加剤等を保持させた機能性ゲル材料等が挙げられる。この機能性ゲル材料としては、例えば、積水化成品工業株式会社のテクノゲル（登録商標）が挙げられる。

フレキシブル電極１０は、ベース電極２０のフレキシブル電極１０との対向面２１上に配置された回転体である。回転体とは、或る軸と同一平面上にある矩形平面等の平面を、当該軸の周回方向に回転させることによって形成される立体物である。回転体であるフレキシブル電極１０の回転中心軸は、相対移動方向Ｒに交差（例えば直交）し、且つ、ベース電極２０の対向面２１に沿った（例えば対向面２１に平行な）軸である。ベース電極２０の対向面２１の法線方向と相対移動方向Ｒとを含む平面（上下方向及び前後方向を含む平面）によって切断されたフレキシブル電極１０の外表面の断面は、丸みを帯びて閉じた形状に形成される。例えば、フレキシブル電極１０の外表面の当該断面は、円、楕円又はオーバル等の形状に形成される。フレキシブル電極１０は、球、円柱、円筒又は円環等の形状に形成されてもよい。本実施形態では、フレキシブル電極１０が球形状に形成されているものとする。

フレキシブル電極１０は、フレキシブル電極１０とベース電極２０との間への電圧の印加時に、ベース電極２０の対向面２１上で自転しながらベース電極２０に対して相対的に移動する。本実施形態では、ベース電極２０が移動せず、フレキシブル電極１０が対向面２１上を移動する。本実施形態では、フレキシブル電極１０は、ベース電極２０の対向面２１上に載置され、当該電圧の印加時に対向面２１上を転動する。本実施形態のフレキシブル電極１０の相対移動方向Ｒは、前方向である。なお、フレキシブル電極１０は、複数設けられていてもよい。

ベース電極２０は、剛性を有する導電体によって形成される。ベース電極２０の形成に用いられる材料としては、鉄、銅又はアルミニウムのような金属材料が挙げられる。或いは、ベース電極２０は、セラミックス等の耐熱性、剛性及び絶縁性を有する非金属材料を用いて形成された基板の一面を、導電性を有する金属膜等にて被覆することによって形成されてもよい。金属膜が被覆される基板の一面は、フレキシブル電極１０に対向する面である。

ベース電極２０のフレキシブル電極１０との対向面２１は、絶縁層２２によって被覆される。絶縁層２２は、ベース電極２０とフレキシブル電極１０との間への電圧の印加によってベース電極２０に蓄積された電荷が確実に維持されるよう、セラミックスから成る強誘電体を用いて形成される。特に、絶縁層２２は、ペロブスカイト構造を有する強誘電体を用いて形成される。ペロブスカイト構造を有する強誘電体としては、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３）、又は、ニオブ酸カリウムナトリウム（（ＮａＫ）ＮｂＯ_３）等が挙げられる。チタン酸バリウムには、ＣａＺｒＯ_３やＢａＳｎＯ_３等の物質が固溶されていてもよい。

また、絶縁層２２の形成に用いられる材料としては、フレキシブル電極１０を変形させるクーロン力が発生し得るような高い比誘電率を有する材料であることが好適である。絶縁層２２の比誘電率は、例えば、セラミックス（ファインセラミックス）が採用されることによって１０００以上であってもよい。チタン酸バリウムは、比誘電率が１０００～１００００前後である。チタン酸ジルコン酸鉛は、比誘電率が５００～５０００である。チタン酸ストロンチウムは、比誘電率が２００～５００である。これらのペロブスカイト構造を有する強誘電体は、高い比誘電率を有する材料である。

ベース電極２０は、相対移動方向Ｒ（前後方向）に延びる板状に形成される。ベース電極２０の相対移動方向Ｒにおける長さは、フレキシブル電極１０の相対移動方向Ｒにおける長さよりも長い。ベース電極２０の対向面２１は、フレキシブル電極１０のベース電極２０との接触部以外では、フレキシブル電極１０の接平面に対して傾斜する。フレキシブル電極１０とベース電極２０との間には、空間２３が形成される。空間２３は、フレキシブル電極１０のベース電極２０との接触部の前側及び後側に形成される。空間２３は、フレキシブル電極１０とベース電極２０との間への電圧の印加時に、ベース電極２０の対向面２１に接近するよう変形するフレキシブル電極１０を受け入れるための空間である。

ベース電極２０は、ベース電極２０の対向面２１を分割することによって複数の電極部２５ａ～２５ｄに分割される。分割された電極部の数は、任意である。複数の電極部２５ａ～２５ｄは、板状の絶縁部２６によって互いに絶縁されている。板状の絶縁部２６により、複数の電極部２５ａ～２５ｄには、フレキシブル電極１０との間において互いに独立して電圧が印加される。なお、本実施形態では、複数の電極部２５ａ～２５ｄのそれぞれを総称して「電極部２５」とも称する。

複数の電極部２５ａ～２５ｄは、フレキシブル電極１０の相対移動方向Ｒに沿って配置される。相対移動方向Ｒは、図１に示すような直線的な方向に限定されず、曲線的な方向であってもよいし、ループする方向であってもよい。相対移動方向Ｒは、複数の電極部２５ａ～２５ｄの配置を適宜設定することによって、比較的自由に設計され得る。すなわち、アクチュエータ１は、複数の電極部２５ａ～２５ｄの配置を適宜設定することによって、フレキシブル電極１０の移動経路を比較的自由に設計することができる。複数の電極部２５ａ～２５ｄには、電圧が相対移動方向Ｒに向かって順次印加される。本実施形態の複数の電極部２５ａ～２５ｄには、電圧が前方向に向かって順次印加される。

複数の電極部２５ａ～２５ｄのそれぞれの相対移動方向Ｒにおける長さＬ１は、フレキシブル電極１０の相対移動方向Ｒにおける長さＬ２よりも長い（Ｌ１＞Ｌ２）。複数の電極部２５ａ～２５ｄのそれぞれの対向面２１は、前方向に向かうに従って下方向（重力方向）に緩やかに傾斜する。

複数の電極部２５ａ～２５ｄのそれぞれの後縁部（フレキシブル電極１０の相対移動方向Ｒとは反対方向の縁部）には、突起部２７が形成される。突起部２７は、複数の電極部２５ａ～２５ｄのそれぞれの後縁部から後方向に向かって突出する。突起部２７の相対移動方向Ｒにおける長さは、絶縁部２６の相対移動方向Ｒにおける長さよりも長い。突起部２７の相対移動方向Ｒにおける長さは、当該突起部２７が形成された電極部２５に隣り合う電極部２５の対向面２１上に位置するフレキシブル電極１０が電圧の印加により対向面２１に接近するよう変形した際に当該フレキシブル電極１０が当該突起部２７に接触する程度の長さである（図３を参照）。

アクチュエータ１は、アクチュエータ１の仕事をアクチュエータ１の外部に出力する出力部材４０を有する。出力部材４０は、アクチュエータ１の動作に従って変位する従動部材である。出力部材４０は、アクチュエータ１の仕事の出力対象である対象物の仕様等に応じて適宜設計される。

出力部材４０は、ベース電極２０の対向面２１上を移動するフレキシブル電極１０に取り付けられる。例えば、出力部材４０は、フレキシブル電極１０から左右方向に延びる棒状部材によって構成されてもよい。この場合、出力部材４０は、フレキシブル電極１０の移動に従って変位して、出力部材４０に当接する対象物を移動させることができる。フレキシブル電極１０が複数設けられる場合、出力部材４０は、図２に示すように、前後方向及び左右方向に延びる板状部材４１によって構成されてもよい。板状部材４１は、フレキシブル電極１０上に載置される。この場合、出力部材４０の上には、対象物が載置されてもよく、出力部材４０は、フレキシブル電極１０の移動に従って変位して、出力部材４０に載置された対象物を移動させることができる。

アクチュエータ１は、フレキシブル電極１０とベース電極２０との間に電圧を印加してアクチュエータ１を駆動する駆動回路５０に接続される。

駆動回路５０は、直流電圧源等によって構成される電源５１と、駆動回路５０の各構成要素とフレキシブル電極１０及びベース電極２０とを接続する配線５２と、半導体素子等によって構成されるスイッチ５３ａ～５７ｂと、集積回路等によって構成される制御部７０とを含む。

フレキシブル電極１０は、配線５２によって、電源５１の正極及び負極の一方に接続されると共に、フレームグラウンド（又はアース）に接続される。ベース電極２０を構成する複数の電極部２５ａ～２５ｄのそれぞれは、配線５２によって、電源５１の正極及び負極の他方に接続されると共に、フレームグラウンドに接続される。スイッチ５３ａは、フレキシブル電極１０と電源５１との間に接続される。スイッチ５３ｂは、フレキシブル電極１０とフレームグラウンドとの間に接続される。スイッチ５４ａは、電極部２５ａと電源５１との間に接続される。スイッチ５４ｂは、電極部２５ａとフレームグラウンドとの間に接続される。スイッチ５５ａは、電極部２５ｂと電源５１との間に接続される。スイッチ５５ｂは、電極部２５ｂとフレームグラウンドとの間に接続される。スイッチ５６ａは、電極部２５ｃと電源５１との間に接続される。スイッチ５６ｂは、電極部２５ｃとフレームグラウンドとの間に接続される。スイッチ５７ａは、電極部２５ｄと電源５１との間に接続される。スイッチ５７ｂは、電極部２５ｄとフレームグラウンドとの間に接続される。

制御部７０は、駆動回路５０の各構成要素を制御する回路である。制御部７０は、スイッチ５３ａ～５７ｂのＯＮ／ＯＦＦ状態を制御することによって、フレキシブル電極１０とベース電極２０を構成する複数の電極部２５ａ～２５ｄのそれぞれとの間における電圧の印加と停止とを切り替える。また、制御部７０は、電源５１の出力電圧の大きさを制御することによって、印加される電圧の大きさを制御することができる。これにより、制御部７０は、フレキシブル電極１０に作用するクーロン力の大きさを制御することができ、フレキシブル電極１０の変形量を制御することができる。更に、制御部７０は、電圧の印加と停止とを切り替える速度を制御することによって、フレキシブル電極１０の変形速度を制御することができる。更に、制御部７０は、電圧の印加と停止とを切り替えるタイミングを制御することによって、フレキシブル電極１０の変形タイミングを制御することができる。

図３は、図１に示すアクチュエータ１を駆動する過程を説明する図（その１）である。図４は、図１に示すアクチュエータ１を駆動する過程を説明する図（その２）である。図５は、図１に示すアクチュエータ１を駆動する過程を説明する図（その３）である。なお、図３～図５において、二点鎖線は、電圧が印加される前の初期位置におけるフレキシブル電極１０の原形を示す。

図３に示すように、駆動回路５０の制御部７０は、スイッチ５３ａ，５４ａをＯＮ状態に制御し、スイッチ５３ｂ，５４ｂ，５５ａ～５７ｂをＯＦＦ状態に制御する。すると、フレキシブル電極１０と、フレキシブル電極１０の位置に対応する電極部２５ａとの間には電圧が印加される。この場合、電源５１の正極に接続されたフレキシブル電極１０は正の電荷を帯び、電源５１の負極に接続された電極部２５ａは負の電荷を帯びる。電極部２５ａの対向面２１を被覆する絶縁層２２は、誘電分極する。電極部２５ａの絶縁層２２は、電極部２５ａとの界面付近が正の電荷を帯び、当該界面の反対側（空間２３側）の表面付近が負の電荷を帯びる。電極部２５ａの絶縁層２２とフレキシブル電極１０との間には、クーロン力が発生する。当該クーロン力によって、フレキシブル電極１０は、電極部２５ａの絶縁層２２に引き付けられる。すなわち、当該クーロン力によって、電極部２５ａの対向面２１上に位置するフレキシブル電極１０は、電極部２５ａの対向面２１に接近するように変形する。このフレキシブル電極１０の変形により、フレキシブル電極１０は、電極部２５ａの前方向において隣り合う電極部２５ｂの後縁部に形成された突起部２７と接触する。

図３に示す場合の後、駆動回路５０の制御部７０は、図４に示すように、スイッチ５３ｂ，５４ｂをＯＮ状態に制御し、スイッチ５３ａ，５４ａ，５５ａ～５７ｂをＯＦＦ状態に制御する。すると、フレキシブル電極１０と電極部２５ａとの間への電圧の印加が停止される。この場合、フレキシブル電極１０とベース電極２０の電極部２５ａとに蓄積された電荷は、フレームグラウンドに解放される。フレキシブル電極１０は、フレキシブル電極１０の復元力によって電極部２５ａの対向面２１から離隔するように変形し、原形に復元する。この際、フレキシブル電極１０は、電極部２５ｂの突起部２７に接触した状態で復元する。

図４に示す場合の後、駆動回路５０の制御部７０は、図５に示すように、スイッチ５３ａ，５４ｂ，５５ａをＯＮ状態に制御し、スイッチ５３ｂ，５４ａ，５５ｂ，５６ａ～５７ｂをＯＦＦ状態に制御する。すると、フレキシブル電極１０と、フレキシブル電極１０が接触する突起部２７を有する電極部２５ｂとの間には電圧が印加される。この場合、電極部２５ｂ（の絶縁層２２）とフレキシブル電極１０との間には、クーロン力が発生する。当該クーロン力によって、電極部２５ｂの突起部２７に接触するフレキシブル電極１０は、電極部２５ｂの対向面２１に接近するように変形する。このフレキシブル電極１０の変形により、フレキシブル電極１０は、自転しながら電極部２５ｂの突起部２７を乗り越え、電極部２５ｂの対向面２１上に移動する。フレキシブル電極１０に取り付けられた出力部材４０は、フレキシブル電極１０の移動に従って移動するように変位する。なお、図４に示す場合の後にフレキシブル電極１０と電極部２５ｂとの間に電圧を印加する場合、スイッチ５４ｂは、図５ではＯＮ状態に制御されていたが、ＯＦＦ状態に制御されてもよい。

上記のように、駆動回路５０の制御部７０は、複数の電極部２５に対して電圧の印加と停止とを相対移動方向Ｒに向かって順次繰り返す。フレキシブル電極１０は、ベース電極２０の対向面２１上を自転しながら相対移動方向Ｒへ移動することができる。

これにより、実施形態１のアクチュエータ１は、フレキシブル電極１０をベース電極２０に対して相対的に移動させる動作を実現することができる。しかも、出力部材４０は、フレキシブル電極１０の移動に従って様々な経路にて移動可能であり、対象物を様々な経路にて移動させることができる。よって、実施形態１のアクチュエータ１は、アクチュエータとしての使用形態の多様化を図ることができる。

なお、図１に示すアクチュエータ１では、ベース電極２０が移動せず、フレキシブル電極１０が対向面２１上を移動していた。しかしながら、実施形態１のアクチュエータ１は、フレキシブル電極１０が対向面２１上で移動せずに回転可能に支持され、ベース電極２０が移動するように構成されてもよい。この場合、出力部材４０は、ベース電極２０に取り付けられてもよい。

［実施形態２］
図６～図９を用いて、実施形態２のアクチュエータ１について説明する。実施形態２のアクチュエータ１において、従前の実施形態と同様の構成及び動作については、その説明を省略する。
図６は、実施形態２のアクチュエータ１を説明する図である。

実施形態２のアクチュエータ１では、ベース電極２０が、複数の電極部２５ａ～２５ｄの代わりに、複数の電極部２８ａ～２８ｈによって構成される。複数の電極部２８ａ～２８ｈのそれぞれの相対移動方向Ｒにおける長さＬ１は、フレキシブル電極１０の相対移動方向Ｒにおける長さＬ２よりも短い（Ｌ１＜Ｌ２）。複数の電極部２８ａ～２８ｈのそれぞれには、突起部２７が形成されていない。複数の電極部２８ａ～２８ｈのそれぞれの対向面２１は、同一平面上に配置されており、平坦である。なお、本実施形態では、複数の電極部２８ａ～２８ｈのそれぞれを総称して「電極部２８」とも称する。

実施形態２の駆動回路５０は、スイッチ５４ａ～５７ｂの代わりに、複数の電極部２８ａ～２８ｈに応じたスイッチ５８ａ～６５ｂを含む。スイッチ５８ａは、電極部２８ａと電源５１との間に接続される。スイッチ５８ｂは、電極部２８ａとフレームグラウンドとの間に接続される。スイッチ５９ａは、電極部２８ｂと電源５１との間に接続される。スイッチ５９ｂは、電極部２８ｂとフレームグラウンドとの間に接続される。スイッチ６０ａは、電極部２８ｃと電源５１との間に接続される。スイッチ６０ｂは、電極部２８ｃとフレームグラウンドとの間に接続される。スイッチ６１ａは、電極部２８ｄと電源５１との間に接続される。スイッチ６１ｂは、電極部２８ｄとフレームグラウンドとの間に接続される。スイッチ６２ａは、電極部２８ｅと電源５１との間に接続される。スイッチ６２ｂは、電極部２８ｅとフレームグラウンドとの間に接続される。スイッチ６３ａは、電極部２８ｆと電源５１との間に接続される。スイッチ６３ｂは、電極部２８ｆとフレームグラウンドとの間に接続される。スイッチ６４ａは、電極部２８ｇと電源５１との間に接続される。スイッチ６４ｂは、電極部２８ｇとフレームグラウンドとの間に接続される。スイッチ６５ａは、電極部２８ｈと電源５１との間に接続される。スイッチ６５ｂは、電極部２８ｈとフレームグラウンドとの間に接続される。

図７は、図６に示すアクチュエータ１を駆動する過程を説明する図（その１）である。図８は、図６に示すアクチュエータ１を駆動する過程を説明する図（その２）である。図９は、図６に示すアクチュエータ１を駆動する過程を説明する図（その３）である。なお、図７～図９において、二点鎖線は、電圧が印加される前の初期位置におけるフレキシブル電極１０の原形を示す。

図７に示すように、駆動回路５０の制御部７０は、スイッチ５３ａ，５８ａ，５９ａ，６０ａ，６１ａ，６２ａをＯＮ状態に制御し、スイッチ５３ｂ，５８ｂ，５９ｂ，６０ｂ，６１ｂ，６２ｂをＯＦＦ状態に制御する。また、制御部７０は、スイッチ６３ａ～６５ｂをＯＦＦ状態に制御する。すると、フレキシブル電極１０と、フレキシブル電極１０の位置に対応する電極部２８ａ～２８ｅとの間には電圧が印加される。この場合、フレキシブル電極１０は、電極部２８ａ～２８ｅの対向面２１に接近するように変形する。

駆動回路５０の制御部７０は、図７に示す場合において電圧を印加するべき、フレキシブル電極１０の位置に対応する電極部２８を、次のようにして選択することができる。
すなわち、制御部７０は、フレキシブル電極１０が対向面２１に接触する位置に最も近い電極部２８ｃを基準として選択する。そして、制御部７０は、基準の電極部２８ｃから、前方向及び後方向にそれぞれ隣り合って配置された所定数Ｎの電極部２８ｄ，２８ｅ及び電極部２８ａ，２８ｂを、図７に示す場合において電圧を印加するべき電極部２８として選択する。この所定数Ｎは、電極部２８の相対移動方向Ｒにおける長さＬ１と、フレキシブル電極１０の相対移動方向Ｒにおける長さＬ２と、絶縁部２６の相対移動方向Ｒにおける長さＬ３とに基づいて予め決定される。例えば、制御部７０は、選択された電極部２８ａから電極部２８ｅまでの相対移動方向Ｒにおける長さ｛Ｎ×Ｌ１＋（Ｎ－１）×Ｌ３｝が、フレキシブル電極１０の相対移動方向Ｒにおける長さＬ２の０．５倍以上１倍以下となるように、所定数Ｎを決定すればよい。

図７に示す場合の後、駆動回路５０の制御部７０は、図８に示すように、スイッチ５３ｂ，５８ｂ，５９ｂ，６０ａ，６１ａ，６２ａをＯＮ状態に制御し、スイッチ５３ａ，５８ａ，５９ａ，６０ｂ，６１ｂ，６２ｂをＯＦＦ状態に制御する。また、制御部７０は、スイッチ６３ａ～６５ｂをＯＦＦ状態に制御する。この場合、図７に示す場合において電圧が印加された電極部２８ａ～２８ｅのうちフレキシブル電極１０の後端部（相対移動方向Ｒとは反対方向の端部）に対応する電極部２８ａ，２８ｂとフレキシブル電極１０とは、フレームグラウンドに導通し、電圧の印加が停止される。電極部２８ａ，２８ｂ及びフレキシブル電極１０に蓄積された電荷は、フレームグラウンドに解放される。これにより、フレキシブル電極１０の後端部は、フレキシブル電極１０の復元力によって、電極部２８ａ，２８ｂの対向面２１から離隔するように変形する。一方、フレキシブル電極１０の前端部（相対移動方向Ｒの端部）及び中間部（前端部と後端部との間の部分）に対応する電極部２８ｃ～２８ｅは、電源５１に導通したままである。電極部２８ｃ～２８ｅに蓄積された電荷は、維持される。これにより、フレキシブル電極１０の前端部及び中間部は、電極部２８ｃ～２８ｅの対向面２１に接近するように変形した状態を維持する。すなわち、フレキシブル電極１０は、フレキシブル電極１０の後端部だけが復元する。フレキシブル電極１０には、前方向に向かってフレキシブル電極１０を自転させるようなモーメントが作用する。これにより、フレキシブル電極１０は、電圧が印加された電極部２８ｃ～２８ｅのうちフレキシブル電極１０から前方向において最も前側の電極部２８ｅを越えて、当該電極部２８ｅに対して前方向において隣り合う電極部２８ｆの対向面２１と接触する。

図８に示す場合の後、駆動回路５０の制御部７０は、図９に示すように、スイッチ５３ａ，５８ｂ，５９ｂ，６０ａ，６１ａ，６２ａ，６３ａ，６４ａをＯＮ状態に制御し、スイッチ５３ｂ，５８ａ，５９ａ，６０ｂ，６１ｂ，６２ｂ，６３ｂ，６４ｂをＯＦＦ状態に制御する。また、制御部７０は、スイッチ６５ａ，６５ｂをＯＦＦ状態に制御する。すると、フレキシブル電極１０と電極部２８ｃ～２８ｇとの間には電圧が印加される。この場合、図７に示す場合と比べて新たに電圧が印加された電極部２８ｆ、２８ｇ（の絶縁層２２）とフレキシブル電極１０との間には、新たにクーロン力が発生する。当該クーロン力によって、電極部２８ｆの対向面２１に接触するフレキシブル電極１０の前端部は、電極部２８ｆ，２８ｇの対向面２１に接近するように変形する。フレキシブル電極１０には、前方向に向かってフレキシブル電極１０を自転させるようなモーメントが作用する。これにより、フレキシブル電極１０は、自転しながら電極部２８ｆを越えて、電極部２８ｇの対向面２１に接触する程に移動することができる。

なお、駆動回路５０の制御部７０は、図９に示す場合において新たに電圧を印加するべき電極部２８を、図７に示す場合と同様に選択することができる。すなわち、駆動回路５０の制御部７０は、図８に示す場合において電圧の印加を停止したフレキシブル電極１０の後端部に対応する電極部２８の数と同数の、相対移動方向Ｒの先に配置された電極部２８を、新たに電圧を印加するべき電極部２８として選択する。

上記のように、駆動回路５０の制御部７０は、フレキシブル電極１０と、フレキシブル電極１０の位置に対応する電極部２８ａ～２８ｅとの間に電圧を印加する。その後、制御部７０は、フレキシブル電極１０の後端部に対応する電極部２８ａ，２８ｂへの電圧の印加を停止する。その後、制御部７０は、フレキシブル電極１０の相対移動方向Ｒの先に配置された電極部２８ｆ，２８ｇに対して新たに電圧を印加する。このように、駆動回路５０の制御部７０は、複数の電極部２８に対して電圧の印加と停止とを相対移動方向Ｒに向かって順次繰り返す。フレキシブル電極１０は、ベース電極２０の対向面２１上を自転しながら相対移動方向Ｒへ移動することができる。

実施形態２のアクチュエータ１は、電極部２８の長さＬ１がフレキシブル電極１０の長さＬ２よりも短いことにより、電極部２８に対して突起部２７を形成しなくても、フレキシブル電極１０をベース電極２０に対して相対的に移動させる動作を実現することができる。実施形態２のベース電極２０は、実施形態１よりも、その形状が簡素化し得ると共に、設計自由度が向上し得る。しかも、実施形態２の駆動回路５０は、フレキシブル電極１０とベース電極２０との間に印加される電圧を精細に制御することができるので、フレキシブル電極１０の移動を精確に制御することができる。フレキシブル電極１０の移動形態の自由度が向上し得る。よって、実施形態２のアクチュエータ１は、使用形態の更なる多様化を容易に図ることができる。

［実施形態３］
図１０を用いて、実施形態３のアクチュエータ１について説明する。実施形態３のアクチュエータ１において、従前の実施形態と同様の構成及び動作については、その説明を省略する。
図１０は、実施形態３のアクチュエータ１を説明する図である。図１０は、アクチュエータ１の相対移動方向Ｒに沿った断面を示す。図１０では、ベース電極２０を構成する複数の電極部２８及び絶縁部２６の図示、絶縁層２２の図示、及び、駆動回路５０の図示が省略されている。図１１においても、これらの図示が省略されている。

実施形態３のアクチュエータ１では、ベース電極２０が円環又は円筒等の形状に形成される。ベース電極２０は、実施形態２のベース電極２０の両端に配置された電極部２８を、絶縁部２６を介して接続することによって形成される。ベース電極２０は、内周面３１及び外周面３２を有する。ベース電極２０の対向面２１は、内周面３１である。ベース電極２０は、アクチュエータ１の外部の面Ｐ上に載置される。ベース電極２０の外周面３２は、面Ｐに接触する。実施形態３のフレキシブル電極１０は、ベース電極２０の内部に配置される。フレキシブル電極１０は、ベース電極２０の内周面３１上に配置される。フレキシブル電極１０の相対移動方向Ｒは、内周面３１の周方向に沿う。

実施形態３の駆動回路５０は、実施形態２と同様に、複数の電極部２８に対して電圧の印加と停止とを相対移動方向Ｒに向かって順次繰り返す。フレキシブル電極１０は、ベース電極２０の内周面３１上で自転しながら、内周面３１上を相対的に移動する。フレキシブル電極１０を内部に含むベース電極２０の重心は、フレキシブル電極１０の移動に従って移動する。ベース電極２０は、図１０の破線の矢印に示すように、面Ｐ上で自転しながら面Ｐ上を移動する。

実施形態３の出力部材４０は、実施形態１と同様に、面Ｐ上を移動するベース電極２０に取り付けられ、ベース電極２０から左右方向に延びる棒状部材によって構成されてもよい。また、複数組のベース電極２０及びフレキシブル電極１０が設けられる場合、出力部材４０は、実施形態１と同様に、ベース電極２０上に載置される板状部材４１によって構成されてもよい。

実施形態３のアクチュエータ１は、実施形態１，２と同様に、フレキシブル電極１０がベース電極２０に対して相対的に移動する動作を実現することができる。但し、実施形態３のフレキシブル電極１０は、ベース電極２０の内周面３１上で自転しながら、内周面３１上を相対的に移動する。実施形態３のベース電極２０は、フレキシブル電極１０の移動に従って移動することができる。実施形態３のアクチュエータ１は、実施形態１，２とは異なる様々な形態にてアクチュエータとして使用可能である。よって、実施形態３のアクチュエータ１は、使用形態の多様化を図ることができる。

［実施形態４］
図１１を用いて、実施形態４のアクチュエータ１について説明する。実施形態４のアクチュエータ１において、従前の実施形態と同様の構成及び動作については、その説明を省略する。
図１１は、実施形態４のアクチュエータ１を説明する図である。

実施形態４のアクチュエータ１では、実施形態３とは異なり、フレキシブル電極１０の移動に従って外部へ仕事をする出力部材４０が、ベース電極２０の内部に配置された回転体４２によって構成される。回転体４２は、或る軸と同一平面上にある矩形平面等の平面を、当該軸の周回方向に回転させることによって形成される立体物である。回転体４２は、円環、円筒又は円柱等の形状に形成される。図１１では、回転体４２である出力部材４０は、円環状に形成され、内周面４３及び外周面４４を有する。出力部材４０の外周面４４は、ベース電極２０の内周面３１に対向する。出力部材４０の回転中心軸は、ベース電極２０の中心軸Ｃに一致してもよい。出力部材４０の内周面４３には、出力部材４０の回転中心軸に沿って延びるシャフト等が、出力部材４０と一体的に取り付けられてもよい。

実施形態４のフレキシブル電極１０は、複数設けられる。複数のフレキシブル電極１０のそれぞれは、ベース電極２０の内周面３１と出力部材４０の外周面４４との両面に接触した状態で、当該両面の間に配置される。複数のフレキシブル電極１０は、出力部材４０の回転中心軸の周回方向に回転可能に出力部材４０を支持する。実施形態４のベース電極２０は、回転及び移動しないよう固定される。

実施形態４の駆動回路５０は、実施形態３と同様に、複数の電極部２８に対して電圧の印加と停止とを相対移動方向Ｒに向かって順次繰り返す。複数のフレキシブル電極１０のそれぞれは、ベース電極２０の内周面３１上で自転しながら、内周面３１上を相対的に移動する。複数のフレキシブル電極１０のそれぞれに接触する出力部材４０は、フレキシブル電極１０の移動に従って回転する。

実施形態４のアクチュエータ１は、実施形態１～３と同様に、フレキシブル電極１０がベース電極２０に対して相対的に移動する動作を実現することができる。但し、実施形態４のフレキシブル電極１０は、実施形態３と同様に、ベース電極２０の内周面３１上で自転しながら、内周面３１上を相対的に移動する。実施形態４の出力部材４０は、フレキシブル電極１０の移動に従って回転することができる。実施形態４のアクチュエータ１は、実施形態１～３とは異なる様々な形態にてアクチュエータとして使用可能である。よって、実施形態４のアクチュエータ１は、使用形態の多様化を図ることができる。

なお、図１１に示すアクチュエータ１では、回転体４２が出力部材４０を構成していた。そして、図１１に示すアクチュエータ１は、ベース電極２０が固定され、回転体４２が回転していた。しかしながら、実施形態４のアクチュエータ１は、回転体４２が出力部材４０を構成していなくてもよい。そして、実施形態４のアクチュエータ１は、回転体４２が固定され、ベース電極２０が回転するように構成されてもよい。すなわち、実施形態４のアクチュエータ１は、回転体４２又はベース電極２０を回転させることができる。ベース電極２０が回転するように構成される場合、出力部材４０は、実施形態３と同様に構成され、ベース電極２０に取り付けられてもよい。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができる。本発明は、或る実施形態の構成を他の実施形態の構成に追加したり、或る実施形態の構成を他の実施形態と置換したり、或る実施形態の構成の一部を削除したりすることができる。

１…アクチュエータ、１０…フレキシブル電極、２０…ベース電極、２１…対向面、２２…絶縁層、２５ａ～２５ｄ…電極部、２８ａ～２８ｈ…電極部、３１…内周面、４０…出力部材、４２…回転体、４４…外周面

Claims

可撓性を有するフレキシブル電極と、前記フレキシブル電極との対向面が絶縁層にて被覆されたベース電極とを有し、両電極間への電圧の印加によって前記フレキシブル電極が前記対向面に接近するよう変形するアクチュエータであって、
前記フレキシブル電極は、前記対向面上に配置された回転体であり、
前記ベース電極は、互いに絶縁された複数の電極部に分割され、
前記複数の電極部は、所定方向に沿って配置され、
前記フレキシブル電極は、前記複数の電極部に対して前記電圧が前記所定方向に順次印加されると、前記対向面上で自転しながら前記ベース電極に対して相対的に前記所定方向へ移動する
ことを特徴とするアクチュエータ。
前記ベース電極は、円環状に形成されて内周面を有し、
前記フレキシブル電極は、前記内周面上に配置され、
前記対向面は、前記内周面であり、
前記所定方向は、前記内周面の周方向に沿う
ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記フレキシブル電極の移動に従って外部へ仕事を出力する出力部材を更に備え、
前記出力部材は、前記ベース電極の内部に配置され、前記ベース電極の前記内周面に対向する外周面を有する回転体であり、
前記フレキシブル電極は、前記ベース電極の前記内周面と前記出力部材の前記外周面との両面に接触した状態で前記両面の間に配置される
ことを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
前記電極部のそれぞれの前記所定方向における長さは、前記フレキシブル電極の前記所定方向における長さよりも短い
ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載のアクチュエータ。