JP3861705B2

JP3861705B2 - 電歪アクチュエータ

Info

Publication number: JP3861705B2
Application number: JP2002024623A
Authority: JP
Inventors: 茂堂埜
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: JP2003230288A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧を印加すると伸縮する電歪アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電圧を印加すると伸縮する電歪アクチュエータとして、シート状の絶縁伸縮材料からなる伸縮部と、この伸縮部の両面の全面に亘って配置される導電性伸縮材料からなる電極部と、電極部に電圧を印加制御する制御部とで構成されたものが知られている。この種の電歪アクチュエータでは電極部に正の電位を印加すると伸縮部のイオンドーピング量が増大することで伸縮部が伸張し、負の電位を印加すると伸縮部のイオンドーピング量が減少することで収縮することでアクチュエータとしての力を発現できるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電歪アクチュエータでは伸縮部の両面全面に電極部が配置されているため、アクチュエータ部の伸縮量が小さいという問題がある。なお伸縮量を大きくするためには伸縮部の表面積を大きくせざるを得なくなり、この場合、アクチュエータ部の大型化を招くという問題が生じる。さらにこれらのアクチュエータは、イオンが移動可能な水中等の湿式な環境でのみ動作可能であるので、水分の保持等、実用上の問題をかかえている。
【０００４】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、アクチュエータ部の断面積を増減させるだけで出力の変更が容易にできて出力設計の自由度を高めることができ、しかも伸縮部を筒状に形成することで、伸縮部を構成する絶縁伸縮材料の厚みを薄くしながら且つその表面積を大きくすることができると共に、筒状の伸縮部の内外両面に電極部を各々配置することで伸縮部の内外両面に対して均一な電界付加ができ、これにより伸縮量の増加と小型化との両方を容易に実現できる電歪アクチュエータを提供することにあり、他の目的とするところは、シート状アクチュエータ部の伸縮・発生力の増大化を図ることができると共に、柔軟電極部の電極パターンを適宜設定変更することで電圧印加時にシート状アクチュエータ部を縦横に等倍率で拡大させたり、或いは一方向のみに拡大させたりすることが可能となり、用途に合わせて伸縮方向が異なるシート状アクチュエータ部を容易に生成でき、さらに編目構造のアクチュエータ部を編み工程無しで容易に生成でき、さらに筒状立体構造のような三次元構造のアクチュエータ部を容易に生成できる電歪アクチュエータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明にあっては、絶縁伸縮材料からなる伸縮部３Ａと、伸縮部３Ａの両面に各々配置される導電性伸縮材料からなる電極部４Ａと、電極部４Ａに電圧を印加制御するための制御部５とを備えた電歪アクチュエータにおいて、上記絶縁伸縮材料からなる伸縮部３Ａを筒状に形成すると共に該筒状の伸縮部３Ａの内外両面に導電性伸縮材料からなる電極部４Ａを各々配置することで紐状アクチュエータ部２Ａを構成し、上記紐状アクチュエータ部２Ａを編目状に編んで編目構造に構成すると共に上記編目構造を有する紐状アクチュエータ部２Ａを筒状立体構造に構成し、上記筒状立体構造は、筒の軸方向Ｎ中心の外径寸法が軸方向Ｎ両端の外径寸法よりも小さく絞られており、電圧印加時には筒の中心軸に対して筒の軸方向Ｎの伸縮量が大きくなり、筒状立体構造を軸方向Ｎに膨張・収縮させることができるように構成したことを特徴としており、このように構成することで、紐状アクチュエータ部２Ａの断面積を増減させるだけで出力の変更が容易にできるようになり、電歪アクチュエータの出力設計の自由度を高めることができ、しかも伸縮部３Ａを筒状に形成することで、伸縮部３Ａを構成する絶縁伸縮材料の厚みを薄くしながら且つその表面積を大きくすることができると共に、筒状の伸縮部３Ａの内外両面に電極部４Ａを各々配置することで伸縮部３Ａの内外両面に対して均一な電界付加ができるようになる。
また上記紐状アクチュエータ部２Ａを編目状に編んで編目構造を構成したので、紐状アクチュエータ部２Ａを網目状に編むだけで、編目構造をした三次元構造の電歪アクチュエータの形成が可能となり、しかも網目構造であるので柔軟構造となるうえに、その編み方によって伸縮・発生力を柔軟に変えることができる。さらに上記編目構造を有する紐状アクチュエータ部２Ａを筒状立体構造に構成したので、電極部４Ａに電圧を印加することで、筒状立体構造の半径方向Ｍの寸法が収縮し且つ軸方向Ｎに伸張するような力を発生させることが可能となり、しかも二次元構造の場合と比べて、筒状立体構造の末端部分も機械的仕事に有効に作用すると共に、二次元構造で必要とされる末端部分のほつれ対策も不要となる。
【０００７】
また上記紐状アクチュエータ部２Ａが複数本束ねられているのが好ましく、この場合、紐状アクチュエータ部２Ａの剛性を高めることができると共に、電極部４Ａの比表面積が高くなり、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるようになる。
【０００８】
また上記紐状アクチュエータ部２Ａを少なくとも２本以上束ねた状態で編目状に編んで編目構造を構成するのが好ましく、この場合、電極部４Ａの比表面積が更に高くなり、より低電圧で高い伸縮・発生力が得られると共に、紐状アクチュエータ部２Ａの数を増減させるだけで出力の変更が容易となる。
【００１０】
また本発明は、絶縁伸縮材料からなる伸縮部３Ａと、伸縮部３Ａの両面に各々配置される導電性伸縮材料からなる電極部４Ａと、電極部４Ａに電圧を印加制御するための制御部５とを備えた電歪アクチュエータにおいて、上記絶縁伸縮材料からなる伸縮部３Ａを筒状に形成すると共に該筒状の伸縮部３Ａの内外両面に導電性伸縮材料からなる電極部４Ａを各々配置することで紐状アクチュエータ部２Ａを構成し且つ上記紐状アクチュエータ部２Ａを螺旋状に巻いて螺旋立体構造に構成し、上記螺旋立体構造は、筒の軸方向Ｎ中心の外径寸法が軸方向Ｎ両端の外径寸法よりも小さく絞られており、電圧印加時には筒の中心軸に対して筒の軸方向Ｎの伸縮量が大きくなり、筒状立体構造を軸方向Ｎに膨張・収縮させることができるように構成したことを特徴としており、この場合、電極部４Ａへの電圧印加によって螺旋立体構造をその半径方向Ｍに膨張・収縮させることが可能となり、また螺旋立体構造とすることで、電極部４Ａの比表面積が高く、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるようになる。
【００１１】
また上記筒状の伸縮部３Ａの内側に配置される電極部４Ａを筒状にして、紐状アクチュエータ部２Ａの中心に中空部３６を設けるのが好ましく、この場合、伸縮部３Ａの電極部４Ａの比表面積を増やすことができる。
【００１２】
また上記筒状の伸縮部３Ａの内側に導電性伸縮材料を隙間なく充填するのが好ましく、この場合、紐状アクチュエータ部２Ａの中心部が導電性伸縮材料からなる電極部４Ａで充填されることとなり、これに伴い紐状アクチュエータ部２Ａの外径寸法を小さくできる。
【００１３】
また上記紐状アクチュエータ部２Ａにおける伸縮部３Ａの外側に配置される電極部４Ａの表面を電気絶縁膜６にて被覆するのが好ましく、この場合、外側の電極部４Ａの表面が電気的に絶縁されるので、紐状アクチュエータ部２Ａを編目などの構造にしたとき、クロス部での短絡等の心配がないものである。
【００１４】
さらに、本発明は、シート状の絶縁伸縮材料からなる伸縮部３Ｂと、伸縮部３Ｂの両面に各々配置される導電性伸縮材料からなる柔軟電極部４Ｂと、柔軟電極部４Ｂに電圧を印加制御するための制御部５とを備えた電歪アクチュエータにおいて、上記伸縮部３Ｂを構成する絶縁伸縮材料の表面に複数個の柔軟電極部４Ｂを設けることでシート状アクチュエータ部２Ｂを構成すると共に上記シート状アクチュエータ部２Ｂを筒状立体構造に構成し、上記筒状立体構造は、筒の軸方向Ｎ中心の外径寸法が軸方向Ｎ両端の外径寸法よりも小さく絞られており、電圧印加時には筒の中心軸に対して筒の軸方向Ｎの伸縮量が大きくなり、筒状立体構造を軸方向Ｎに膨張・収縮させることができるように構成したことを特徴としており、このように構成することで、柔軟電極部４Ｂはシート状の伸縮部３Ｂの全面に設けられるのではなく、複数箇所に柔軟電極部４Ｂが配置されるため、柔軟電極部４Ｂが存在しない部分では伸縮量が大幅に向上し、シート状アクチュエータ部２Ｂの伸縮・発生力の増大化を図ることができる。しかも、柔軟電極部４Ｂの電極パターンを適宜設定変更することで電圧印加時にシート状アクチュエータ部２Ｂを縦横に等倍率で拡大させたり、或いは一方向のみに拡大させたりすることが可能となる。さらにシート状アクチュエータ部２Ｂを筒状立体構造に構成したので、柔軟電極部４Ｂに電圧を印加することで、筒状立体構造の半径方向Ｍの寸法が収縮し且つ軸方向Ｎに伸張するような力を発生させることができ、しかも二次元構造の場合と比べて、筒状立体構造の末端部分も機械的仕事に有効に作用すると共に、二次元構造で必要とされる末端部分のほつれ対策も不要となる。
【００１５】
また上記シート状アクチュエータ部２Ｂに複数個の貫通穴７を穿設するのが好ましく、この場合、メッシュ構造のシート状アクチュエータ部２Ｂを編み工程無しで低コストで容易に生成できるようになる。
【００１６】
また上記シート状アクチュエータ部２Ｂの柔軟電極部４Ｂを編目状パターンに形成するのが好ましく、この場合、メッシュ構造のシート状アクチュエータ部２Ｂを編み工程無しで低コストで容易に生成できるようになる。
【００１７】
また上記シート状アクチュエータ部２Ｂの表面に絶縁伸縮材料をコーティングし、その上に柔軟電極部４Ｂをパターン形成する工程によってシート状アクチュエータ部２Ｂが複数層形成されているのが好ましく、この場合、絶縁伸縮材料をコーティングし、その上に柔軟電極部４Ｂをパターン形成する工程を１回、或いは２回以上繰り返すことで、任意の複数層のシート状アクチュエータ部２Ｂを容易に生成できるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００２０】
本実施形態の電歪アクチュエータ１Ａは、図１、図２に示すように、絶縁伸縮材料からなる伸縮部３Ａと、伸縮部３Ａの両面に各々配置される導電性伸縮材料からなる電極部４Ａと、電極部４Ａに電圧を印加制御するための制御部５とを備えており、上記絶縁伸縮材料からなる伸縮部３Ａを筒状に形成すると共に該筒状の伸縮部３Ａの内外両面に導電性伸縮材料からなる電極部４Ａを各々配置することで紐状アクチュエータ部２Ａが構成されている。本例では電極部４Ａにリード線１０を介して制御部５が接続されており、制御部５から電極部４Ａへの電圧の印加とその解除を行なうことによって、紐状アクチュエータ部２Ａが図３（ａ）、図３（ｂ）のように長手方向（軸方向）に伸縮動作を行なうものである。
【００２１】
上記伸縮部３Ａを構成する絶縁伸縮材料は、アクリルエラストマー、シリコン等の柔軟性を有し、且つ誘電率の高い（１．０Ｆ／ｍ程度若しくはそれ以上）材料である。また、電極部４Ａは上記材料の液状状態（ペースト状や、スプレー等による塗布であってもよい）のものにカーボンブラック、貴金属フィラー等を混入して電気導電性を確保したものを用いる。なお電極部４Ａにリード線１０を接合するには図４に示すように、電極部４Ａの末端に銅等をメッキし、このメッキ面１１にリード線１０をハンダ付けするものである。
【００２２】
ここで、導電性伸縮材料からなる電極部４Ａに制御部５から電圧を印加することで絶縁伸縮材料からなる伸縮部３Ａが伸縮するメカニズムにつき説明する。絶縁伸縮材料の両側に電圧をかけると電極部４Ａ，４Ａが帯電してクーロン力により電極部４Ａ，４Ａが引き付け合って伸縮するという現象が生じるものであり、この現象を利用して伸縮部３Ａを伸縮させるものである。
【００２３】
図３（ａ）に示すようなシリコン等のポリマー製の絶縁伸縮材料よりなる伸縮部３Ａの内外両面に導電性伸縮材料からなる電極部４Ａを各々配置して構成される紐状アクチュエータ部２Ａの外径の厚みをｔとし、制御部５から電極部４Ａに印加する電圧をＶとした場合における図３（ｂ）においてＰで示す発生応力（等方）、Δｚで示す電界方向歪み（収縮）、Δｘで示す電界と垂直方向の歪み（延伸）は以下の式で求められる。尚、下式において、ｅ₀・ｅ_r：ポリマーの誘電率（Ｆ／ｍ），Ｅ：電極間の電界（Ｖ／ｍ），Ｙ：ポリマーのヤング率（Ｐａ）である。
・発生応力（等方）
Ｐ＝ｅ₀・ε_r・Ｅ²＝ε₀・ε_r・Ｖ²／ｔ²（Ｐａ）
・電界方向歪み（収縮）
Δｚ＝ε₀・ε_r・Ｅ²／Ｙ＝ε₀・ε_r・Ｖ²／Ｙ・ｔ²（％）
・電界と垂直方向の歪み（延伸）
Δｘ＝０．５・ε₀・ε_r・Ｅ²／Ｙ＝０．５ε₀・ε_r・Ｖ²／Ｙ・ｔ²（％）
すなわち、本実施形態の紐状アクチュエータ部２Ａは、印加される電圧、電流の変動により分子間に働くクーロン力を変位させて自体の形状変化、つまり、アクチュエータ部の長手方向（軸方向）の伸長に伴う表面積の拡大と収縮との変化によって、直線運動の動力を発生させるものである。
【００２４】
図５は上記紐状アクチュエータ部２Ａの生成プロセスの一例を示している。先ず図５（ａ）に示す表面離型処理されている針状型８の外周部に、図５（ｂ）に示す導電性伸縮材料をコーティングして内側の電極部４Ａを形成し、更にその電極部４Ａの外周部に図５（ｃ）に示す絶縁伸縮材料をコーティングして筒状の伸縮部３Ａを形成し、更にその外周部に図５（ｄ）に示す導電性伸縮材料をコーティングして外側の電極部４Ａを形成した後に針状型８を引き抜くことによって、図５（ｅ）に示す中心部が中空部３６となっている紐状アクチュエータ部２Ａが生成される。
【００２５】
しかして、伸縮部３Ａと電極部４Ａとで紐状アクチュエータ部２Ａを構成したので、その断面積を増減させるだけで出力の変更が容易となり、電歪アクチュエータ１Ａの出力設計の自由度を高めることができるという利点がある。しかもこの紐状アクチュエータ部２Ａを例えば編目状に編むことによって編目構造等の三次元構造が容易に形成可能になるという利点がある。
【００２６】
また、紐状アクチュエータ部２Ａの中心部に中空部３６を設けたので、伸縮部３Ａの内側に配置される電極部４Ａが筒状となり、伸縮部３Ａを構成する絶縁伸縮材料の厚みを薄くしながら且つ電極部４Ａの表面積を大きくすることができるようになり、これにより伸縮量の増加と小型化との両方を容易に実現できるものである。そのうえ、筒状の伸縮部３Ａの内外両面に電極部４Ａを各々配置することで伸縮部３Ａの内外両面に対して均一な電界付加ができるようになり、高精度化を実現できる。しかも、伸縮部３Ａの内側に配置される電極部４Ａを筒状に形成しているので、伸縮部３Ａの電極部４Ａの比表面積を増やすことができ、低電圧で高い伸縮・発生力を得ることができるという利点もある。
【００２７】
図６は上記紐状アクチュエータ部２Ａをメリヤス編みに編んだ場合の一例を示している。このメリヤス編みに編んだ紐状アクチュエータ部２Ａに電圧を印加した場合は、図６（ｂ）に示すように、網目が縦横に拡大し、電圧印加を解除すると図６（ａ）に示すように、網目が収縮するようになる。ここで図７（ａ）に示すようなメリヤス編みの場合は網目の縦横比が不等倍率で拡大するようになる。もちろんこれは一例であり、メリヤス編みの場合でもその編み方によって網目の縦横比が等倍率で拡大させることができる。なお図７（ｂ）は後述する柔軟電極部４Ｂが網目状パターンの場合の伸縮方向を参考的に示している。
【００２８】
しかして、紐状アクチュエータ部２Ａを網目状に編むことによって、編目構造などの三次元構造の形成が可能となる。しかも、網目構造であるので柔軟構造となるうえに、編み方によって伸縮・発生力（伸縮量／発生力）を柔軟に変えることができるようになり、出力設計の自由度をより高めることができる。
【００２９】
図８は紐状アクチュエータ部２Ａの他の実施形態として、上記筒状の伸縮部３Ａの内側に導電性伸縮材料を隙間なく充填した場合を示している。紐状アクチュエータ部２Ａの中心部を導電性伸縮材料からなる電極部４Ａで充填することによって、図１の実施形態のように紐状アクチュエータ部２Ａの中心部に中空部３６を設けた場合と比較して、紐状アクチュエータ部２Ａの外径寸法を小さくでき、一層の小型化を図ることができる。
【００３０】
図９は上記紐状アクチュエータ部２Ａにおける伸縮部３Ａの外側に配置される電極部４Ａの表面を電気絶縁膜６にて被覆した場合を示している。紐状アクチュエータ部２Ａの構造は上記実施形態と同様である。外側の電極部４Ａを電気絶縁膜６で被覆する方法として、例えばウレタンのディップコートや、パリレン、ポリイミド蒸着重合等がある。また電気絶縁膜６として、高分子の伸縮に追随する低ヤング率の材質が望ましい。しかして、外側の電極部４Ａの表面が電気的に絶縁されていることで、アクチュエータ部を編目などの構造にしたとき、クロス部での短絡等の心配がなくなる。
【００３１】
図１０は上記紐状アクチュエータ部２Ａを複数本束ねた場合を示しており、図１１は複数本束ねた紐状アクチュエータ部２Ａを編目状に編んで編目構造を構成した場合を示しており、このように紐状アクチュエータ部２Ａを複数本（例えば３〜８本）束ねることで、剛性を高めることができるようになる。また上記束ねた紐状アクチュエータ部２Ａを網目状に編んで図１１に示す網目構造とすることで、電極部４Ａの比表面積が更に高くなり、より低電圧で高い伸縮・発生力が得られるようになる。また図１０、図１１のいずれの場合も、紐状アクチュエータ部２Ａの数を増減させるだけで出力の変更が容易となり、出力設計の自由度を更に高めることができるものである。なお図１０、図１１において、個々の紐状アクチュエータ部２Ａを「より線」、「ツイスト」状態とすることも可能であり、この場合、ツイストされた状態が強いほど、網目の剛性を高めることができるものである。また紐状アクチュエータ部２Ａの表面には上記図９の電気絶縁膜６にて被覆されているのが望ましい。また紐状アクチュエータ部２Ａの束ねる数は８本に限らず、少なくとも２本以上であればよい。なお図１０、図１１においては図８に示すような中心部が中実状である紐状アクチュエータ部２Ａを例示しているが、もちろんこれに限らず、図１に示すような中心部が中空部３６となった紐状アクチュエータ部２Ａであってもよいものである。
【００３２】
図１２は、上記編目構造を有する紐状アクチュエータ部２Ａを筒状立体構造に構成した場合を示し、図１３は図１２のロ部の拡大図を示している。紐状アクチュエータ部２Ａの構造は上記実施形態と同様である。本例では、筒の軸方向Ｎ中心の外径寸法が軸方向Ｎ両端の外径寸法よりも小さく絞られており、電圧印加時には図１２の右側に示すように、筒の中心軸に対して筒の軸方向Ｎの伸縮量が大きなり、筒状立体構造を軸方向Ｎに膨張・収縮させることができるようになっている。しかして、電極部４Ａを編目状パターンに形成することで、メッシュ構造を編み工程無しで低コストで生成することができると共に、電極部４Ａに電圧を印加することで、筒状立体構造の半径方向Ｍの寸法が収縮し且つ軸方向Ｎに伸張するような力を発生させることができる。しかも二次元構造の場合と比べて、筒状立体構造の末端部分も機械的仕事に有効に作用するという利点があり、また二次元構造で必要とされる末端部分のほつれ対策も不要となる。さらに筒状立体構造とすることで、電極部４Ａの比表面積が高く、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるという利点もある。
【００３３】
図１４は、上記紐状アクチュエータ部２Ａを螺旋状に巻いて螺旋立体構造に構成した場合を示し、図１５は図１４のハ部の拡大図を示している。紐状アクチュエータ部２Ａの構造は上記実施形態と同様である。本例の螺旋立体構造では、紐状アクチュエータ部２Ａの矢印ニで示す長手方向が伸縮を支配することになるので、電極部４Ａへの電圧印加によって螺旋立体構造をその半径方向Ｍに膨張・収縮させることができるようになる。また螺旋立体構造とすることで、電極部４Ａの比表面積が高く、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるようになる。
【００３４】
前記各実施形態では、アクチュエータ部が紐状の場合を説明したが、以下の実施形態ではアクチュエータ部がシート状の場合を説明する。なお、以下の実施形態において、導電性伸縮材料からなる柔軟電極部４Ｂに制御部５から電圧を印加することで絶縁伸縮材料からなる伸縮部３Ｂが伸縮するメカニズムについては前記図３と同様であり説明は省略する。
【００３５】
図１６は、シート状の絶縁伸縮材料からなる伸縮部３Ｂと、伸縮部３Ｂの両面に各々配置される導電性伸縮材料からなる柔軟電極部４Ｂと、柔軟電極部４Ｂに電圧を印加制御するための制御部５とを備えた電歪アクチュエータ１Ｂにおいて、上記伸縮部３Ｂを構成する絶縁伸縮材料の表面に複数個の柔軟電極部４Ｂを設けることでシート状アクチュエータ部２Ｂを構成したものである。図１７は制御部５から電圧を印加制御する場合を示している。図１６に示す例では、伸縮部３Ｂの両面に、それぞれ、柔軟電極部４Ｂを構成する円形状の電極パターンが縦横に等間隔をあけて複数設けられている。柔軟電極部４Ｂへの電圧印加時には図１８の右側のように縦横に等倍率で拡大し、電圧印加解除によって図１８の左側のように収縮するようになっている。ここで、柔軟電極部４Ｂの電極パターンの形状によって伸縮の方向性が拡大する。この電極パターンが例えば図２０に示す編目状パターンの場合は前記図７（ｂ）に示したような等方的に伸張・収縮を行なう。また図２１（ｃ）に示すような円形状の場合も等方的に伸張・収縮を行なう。他の例として、図２１（ａ）に示すジグザグ形状の場合は、伸縮の方向は同図の矢印で示す方向のみとなり、楕円形状の場合は長軸方向Ｎ２の伸縮量が短軸方向Ｎ１の伸縮量よりも大きくなるような伸張・収縮を行なう。なお電極パターンが三角形、四角形などの多角形の場合は各辺と直交する方向に等方的に拡大、収縮するようになる。
【００３６】
しかして、柔軟電極部４Ｂはシート状の伸縮部３Ｂの全面に設けられるのではなく、複数箇所に柔軟電極部４Ｂが配置されるため、柔軟電極部４Ｂが存在しない部分では伸縮量が大幅に向上し、シート状アクチュエータ部２Ｂの伸縮・発生力の増大化を図ることができる。しかも、柔軟電極部４Ｂの電極パターンを適宜設定変更することで電圧印加時に縦横に等倍率で拡大させたり、或いは一方向のみに拡大させたりすることが可能となり、用途に合わせて電歪アクチュエータ１Ｂを生成することができるものである。また、電極パターンを例えば編目状パターンとした場合は、図２０に示すメッシュ構造のシート状アクチュエータ部２Ｂを編み工程無しで低コストで容易に生成できるようになる。また図１９に示すように、隣り合う柔軟電極部４Ｂ，４Ｂ間を細い電極パターン２０でつないでおくのが望ましい。この場合、複数個の柔軟電極部４Ｂの個別配線が不要となり、配線構造の簡素化を図ることができる。
【００３７】
更に他の実施形態として図２２、図２３を示す。本例では上記シート状アクチュエータ部２Ｂに複数個の貫通穴７を穿設した場合を示している。本例のシート状アクチュエータ部２Ｂは、伸縮部３Ｂを構成するシート状の絶縁伸縮材料にスプレーコートで柔軟電極部４Ｂをコーティングし、その後、プレス等で複数個の円形状の貫通穴７をあけて構成されており、この複数個の貫通穴７は縦横に等間隔をあけて設けられており、柔軟電極部４Ｂへの電圧印加時には図２３の右側のように縦横に等倍率で拡大し、電圧印加解除によって図２３の左側のように収縮するようになっている。しかして、上記伸縮部３Ｂを構成する絶縁伸縮材料に複数個の貫通穴７を設けることでメッシュ構造のシート状アクチュエータ部２Ｂを編み工程無しで低コストで容易に生成できるようになる。つまりメッシュ構造とすることで、複数箇所に柔軟電極部４Ｂが配置された形となるため、柔軟電極部４Ｂが存在しない部分では伸縮量が大幅に向上し、シート状アクチュエータ部２Ｂの伸縮・発生力の増大化を図ることができるものである。なお、貫通穴７の形状は円形状に限られるものではない。
【００３８】
図２４（ａ）は、シート状アクチュエータ部２Ｂの柔軟電極部４Ｂを編目状パターンに形成した場合を示し、図２４（ｂ）はシート状アクチュエータ部２Ｂを複数層形成した場合を示している。シート状アクチュエータ部２Ｂの柔軟電極部４Ｂを編目状パターンに形成することで、前記図７（ｂ）に示すような等方的な伸張、収縮が得られ、しかも網目構造とすることで、複数箇所に柔軟電極部４Ｂが配置された形となるため、柔軟電極部４Ｂが存在しない部分では伸縮量が大幅に向上し、シート状アクチュエータ部２Ｂの伸縮・発生力の増大化を図ることができる。
【００３９】
次に上記図２４（ｂ）に示す複数層のシート状アクチュエータ部２Ｂを生産プロセスの一例を図２６、図２７に示す。先ず、１層目の伸縮部３Ｂを構成する絶縁伸縮材料の表面にマスク（図示せず）を利用して、図２６（ｂ）、図２７（ｂ）に示すように、導電性伸縮材料を溶剤に溶かしたものをスプレーコート（スピンコートを含む）によって１層目の柔軟電極部４Ｂを編目状パターンに形成する。その上に図２６（ｃ）、図２７（ｃ）に示すように、絶縁伸縮材料を溶剤に溶かしたものをスプレーコートによって２層目の伸縮部３Ｂを形成し、その上に図２６（ｄ）、図２７（ｄ）に示すように、マスク（図示せず）を利用して導電性伸縮材料を溶剤に溶かしたものをスプレーコートによって２層目の柔軟電極部４Ｂを編目状パターンに形成する。絶縁伸縮材料をコーティングし、その上に柔軟電極部４Ｂをパターン形成する工程を繰り返すことで、図２４（ｂ）に示す複数層のシート状アクチュエータ部２Ｂを容易に生成できるようになる。また複数層のシート状アクチュエータ部２Ｂを積層一体化することで、シート状アクチュエータ部２Ｂの伸縮・発生力を更に高めることができるものであり、また各層の柔軟電極部４Ｂを編目状パターンに形成することで、メッシュ構造のシート状アクチュエータ部２Ｂを編み工程無しで低コストで容易に生成できるようになる。ここで図２５は複数層のシート状アクチュエータ部２Ｂにおける柔軟電極部４Ｂの回路図の一例を示している。図２５において、各柔軟電極部４Ｂは、シート状アクチュエータ部２Ｂの積層方向と直交する方向にずらしてコーティングしてあり、各柔軟電極部４Ｂは導電性伸縮材料からなる貫通電極３５にて互いに接続されている。なお各層のシート状アクチュエータ部２Ｂの厚みは電圧を低く（１００Ｖ以下）したい場合は、５μｍ未満が望ましい。
【００４０】
図２８は、上記シート状アクチュエータ部２Ｂを筒状立体構造に構成した場合の一例を示している。本例では、筒の軸方向Ｎ中心の外径寸法が軸方向Ｎ両端側の外径寸法よりも小さく絞られており、電圧印加時には図２８の右側に示すように、筒の中心軸に対して筒の軸方向Ｎの伸縮量が大きなり、筒状立体構造をその軸方向Ｎに膨張・収縮させることができるようになっている。しかして、柔軟電極部４Ｂを複数個設けることで、メッシュ構造を編み工程無しで低コストで生成することができると共に、複数個の柔軟電極部４Ｂに電圧を印加することで、筒状立体構造の半径方向Ｍの寸法が収縮し且つ軸方向Ｎに伸張するような力を発生させることができる。しかも二次元構造の場合と比べて、筒状立体構造の末端部分も機械的仕事に有効に作用するという利点があり、また二次元構造で必要とされる末端部分のほつれ対策も不要となる。さらに筒状立体構造とすることで、柔軟電極部４Ｂの比表面積が高く、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるという利点もある。
【００４１】
本発明の電歪アクチュエータ１Ａ，１Ｂは、非常に微小かつ高精度の変位量制御が必要とされる動力源として広く用いられるものである。
【００４２】
【発明の効果】
上述のように請求項１記載の発明にあっては、絶縁伸縮材料からなる伸縮部と、伸縮部の両面に各々配置される導電性伸縮材料からなる電極部と、電極部に電圧を印加制御するための制御部とを備えた電歪アクチュエータにおいて、上記絶縁伸縮材料からなる伸縮部を筒状に形成すると共に該筒状の伸縮部の内外両面に導電性伸縮材料からなる電極部を各々配置することで紐状アクチュエータ部を構成し、上記紐状アクチュエータ部を編目状に編んで編目構造に構成すると共に上記編目構造を有する紐状アクチュエータ部を筒状立体構造に構成し、上記筒状立体構造は、筒の軸方向中心の外径寸法が軸方向両端の外径寸法よりも小さく絞られており、電圧印加時には筒の中心軸に対して筒の軸方向の伸縮量が大きくなり、筒状立体構造をその軸方向に膨張・収縮させることができるように構成したので、紐状アクチュエータ部の断面積を増減させるだけで出力の変更が容易にできるようになり、電歪アクチュエータの出力設計の自由度を高めることができ、しかも伸縮部を筒状に形成することで、伸縮部を構成する絶縁伸縮材料の厚みを薄くしながら且つその表面積を大きくすることができると共に、筒状の伸縮部の内外両面に電極部を各々配置することで伸縮部の内外両面に対して均一な電界付加ができるようになり、これにより伸縮量の増加と小型化との両方を容易に実現できるものである。また、上記紐状アクチュエータ部を編目状に編んで編目構造を構成したので、紐状アクチュエータ部を網目状に編むだけで、編目構造をした三次元構造の電歪アクチュエータの生成が可能となり、しかも網目構造であるので柔軟構造となるうえに、その編み方によって伸縮・発生力を柔軟に変えることができる結果、出力設計の自由度をより高めることができるものである。さらに、上記編目構造を有する紐状アクチュエータ部を筒状立体構造に構成したので、伸縮部を構成する絶縁伸縮材料の厚みを薄くしながら且つその表面積を大きくすることができ、これにより電極部に電圧を印加することで、筒状立体構造の半径方向の寸法が収縮し且つ軸方向に伸張するような力を発生させることが可能となり、しかも二次元構造の場合と比べて、筒状立体構造の末端部分も機械的仕事に有効に作用するという利点があり、また二次元構造で必要とされる末端部分のほつれ対策も不要となる。さらに筒状立体構造とすることで、電極部の比表面積が高く、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるものである。
【００４３】
また請求項２記載の発明は、絶縁伸縮材料からなる伸縮部と、伸縮部の両面に各々配置される導電性伸縮材料からなる電極部と、電極部に電圧を印加制御するための制御部とを備えた電歪アクチュエータにおいて、上記絶縁伸縮材料からなる伸縮部を筒状に形成すると共に該筒状の伸縮部の内外両面に導電性伸縮材料からなる電極部を各々配置することで紐状アクチュエータ部を構成し且つ上記紐状アクチュエータ部を螺旋状に巻いて螺旋立体構造に構成し、上記螺旋立体構造は、筒の軸方向中心の外径寸法が軸方向両端の外径寸法よりも小さく絞られており、電圧印加時には筒の中心軸に対して筒の軸方向の伸縮量が大きくなり、筒状立体構造をその軸方向に膨張・収縮させることができるように構成したので、伸縮部を構成する絶縁伸縮材料の厚みを薄くしながら且つその表面積を大きくすることができ、しかも電極部への電圧印加によって螺旋立体構造をその半径方向に膨張・収縮させることが可能となり、また螺旋立体構造とすることで、電極部の比表面積が高く、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるものである。
【００４４】
また請求項３記載の発明は、請求項１記載の効果に加えて、上記紐状アクチュエータ部が複数本束ねられているので、紐状アクチュエータ部の剛性を高めることができると共に、電極部の比表面積が高くなり、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるようになり、さらに紐状アクチュエータ部の数を増減させるだけで出力の変更が容易となり、電歪アクチュエータの出力設計の自由度が更に高められるものである。
【００４５】
また請求項４記載の発明は、請求項１記載の効果に加えて、上記紐状アクチュエータ部を少なくとも２本以上束ねた状態で編目状に編んで編目構造を構成したので、電極部の比表面積が更に高くなり、より低電圧で高い伸縮・発生力が得られると共に、紐状アクチュエータ部の数を増減させるだけで出力の変更が容易となり、電歪アクチュエータの出力設計の自由度が更に高められるものである。
【００４８】
また請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の効果に加えて、上記筒状の伸縮部の内側に配置される電極部を筒状にして、紐状アクチュエータ部の中心に中空部を設けたので、筒状の伸縮部の内側に配置される電極部を筒状にすることで、伸縮部の電極部の比表面積を増やすことができ、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるものである。
【００４９】
また請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の効果に加えて、上記筒状の伸縮部の内側に導電性伸縮材料を隙間なく充填したので、紐状アクチュエータ部の中心部が導電性伸縮材料からなる電極部で充填されることとなり、紐状アクチュエータ部の中心部に中空部を設けた構造と比較して、紐状アクチュエータ部の外径寸法を小さくでき、一層の小型化を図ることができる。
【００５０】
また請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の効果に加えて、上記紐状アクチュエータ部における伸縮部の外側に配置される電極部の表面を電気絶縁膜にて被覆したので、外側の電極部の表面が電気的に絶縁されていることで、アクチュエータ部を編目などの構造にしたとき、クロス部での短絡等の心配がなくなる。
【００５１】
また請求項８記載の発明は、シート状の絶縁伸縮材料からなる伸縮部と、伸縮部の両面に各々配置される導電性伸縮材料からなる柔軟電極部と、柔軟電極部に電圧を印加制御するための制御部とを備えた電歪アクチュエータにおいて、上記伸縮部を構成する絶縁伸縮材料の表面に複数個の柔軟電極部を設けることでシート状アクチュエータ部を構成すると共に上記シート状アクチュエータ部を筒状立体構造に構成し、上記筒状立体構造は、筒の軸方向中心の外径寸法が軸方向両端側の外径寸法よりも小さく絞られており、電圧印加時には筒の中心軸に対して筒の軸方向の伸縮量が大きくなり、筒状立体構造をその軸方向に膨張・収縮させることができるように構成したので、つまり柔軟電極部はシート状の伸縮部の全面に設けられるのではなく、複数箇所に柔軟電極部が配置されるため、柔軟電極部が存在しない部分では伸縮量が大幅に向上し、絶縁伸縮材料の表面積を大きくすることなく、伸縮・発生力の増大化を図ることができ、伸縮量の増加と小型化との両方を容易に実現できる。しかも柔軟電極部の電極パターンを適宜設定変更することで電圧印加時にシート状アクチュエータ部を縦横に等倍率で拡大させたり、或いは一方向のみに拡大させたりすることが可能となり、用途に合わせて伸縮方向が異なる電歪アクチュエータを容易に生成できるものである。また上記シート状アクチュエータ部を筒状立体構造に構成したので、伸縮部を構成する絶縁伸縮材料の厚みを薄くしながら且つその表面積を大きくすることができ、これにより柔軟電極部に電圧を印加することで、筒状立体構造の半径方向の寸法が収縮し且つ軸方向に伸張するような力を発生させることができる。しかも二次元構造の場合と比べて、筒状立体構造の末端部分も機械的仕事に有効に作用するという利点があり、また二次元構造で必要とされる末端部分のほつれ対策も不要となる。さらに筒状立体構造とすることで、柔軟電極部の比表面積が高く、低電圧で高い伸縮・発生力が得られるものである。
【００５２】
また請求項９記載の発明は、請求項８記載の効果に加えて、上記シート状アクチュエータ部に複数個の貫通穴を穿設したので、メッシュ構造のシート状アクチュエータ部を編み工程無しで低コストで容易に生成できるものである。
【００５３】
また請求項１０記載の発明は、請求項８記載の効果に加えて、上記シート状アクチュエータ部の柔軟電極部を編目状パターンに形成したので、メッシュ構造のシート状アクチュエータ部を編み工程無しで低コストで容易に生成できるものである。
【００５４】
また請求項１１記載の発明は、請求項８記載の効果に加えて、上記シート状アクチュエータ部の表面に絶縁伸縮材料をコーティングし、その上に柔軟電極部をパターン形成する工程によってシート状アクチュエータ部が複数層形成されているので、絶縁伸縮材料をコーティングし、その上に柔軟電極部をパターン形成する工程を繰り返すことで、複数層のシート状アクチュエータ部を容易に生成できるようになり、また複数層のシート状アクチュエータ部を積層一体化することで、シート状アクチュエータ部の伸縮・発生力を更に高めることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す紐状アクチュエータ部の一部斜視図である。
【図２】同上の紐状アクチュエータ部と制御部との接続状態の説明図である。
【図３】（ａ）は同上の紐状アクチュエータ部の電圧未印加時、（ｂ）は電圧印加時の動作状態の説明図である。
【図４】同上の紐状アクチュエータ部の電極部にリード線を接続する部分の断面図である。
【図５】同上の紐状アクチュエータ部の生成プロセスの説明図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は同上の紐状アクチュエータ部を編目構造とした場合の電圧未印加時と電圧印加時との動作状態の説明図である。
【図７】（ａ）は同上の紐状アクチュエータ部をメリヤス編みにした場合における電圧印加時の優先的動作の説明図、（ｂ）は図２０の柔軟電極部が網目状パターンの場合の電圧印加時の優先的動作を説明する参考図である。
【図８】同上の紐状アクチュエータ部の他例の斜視図である。
【図９】同上の紐状アクチュエータ部の更に他例の斜視図である。
【図１０】（ａ）（ｂ）は同上の紐状アクチュエータ部を複数本束ねた状態の斜視図、及び断面図である。
【図１１】（ａ）は同上の紐状アクチュエータ部をメリヤス編みにした場合の説明図、（ｂ）は（ａ）のイ部の拡大図である。
【図１２】同上の網目構造を有する紐状アクチュエータ部を筒状立体構造に構成した場合を示し、左側は電圧未印加時の状態を示し、右側は電圧印加時の拡大状態を示す図である。
【図１３】図１２のロ部の拡大図である。
【図１４】同上の紐状アクチュエータ部を螺旋立体構造に構成した場合を示し、（ａ）は電圧未印加時の状態を示し、（ｂ）は電圧印加時の拡大状態を示す図である。
【図１５】図１４のハ部の拡大図である。
【図１６】本発明の他の実施形態を示し、（ａ）はシート状アクチュエータ部の正面図、（ｂ）は側面図である。
【図１７】同上のシート状アクチュエータ部と制御部との接続状態の説明図である。
【図１８】（ａ）は同上の紐状アクチュエータ部をメッシュ編みにした場合における電圧印加時の優先的動作の説明図、（ｂ）は同上の紐状アクチュエータ部をメリヤス編みにした場合における電圧印加時の優先的動作の説明図である。
【図１９】同上の隣り合う柔軟電極部間を細い電極パターンでつないだ場合の説明図である。
【図２０】（ａ）は同上のシート状の伸縮部の斜視図、（ｂ）は同上の伸縮部の表面に設けられる柔軟電極部の電極パターンの一例を説明する斜視図である。
【図２１】（ａ）〜（ｃ）は柔軟電極部の異なる電極パターンとその優先的動作の方向とを説明する説明図である。
【図２２】同上のシート状アクチュエータ部と制御部の接続状態の説明図である。
【図２３】同上のシート状アクチュエータ部に複数個の貫通穴を設けた場合を示し、左側は電圧未印加時の状態を示し、右側は電圧印加時の拡大状態を示す図である。
【図２４】（ａ）は同上の１層のシート状アクチュエータ部の斜視図、（ｂ）は複数層のシート状アクチュエータ部の斜視図である。
【図２５】同上の複数層の柔軟電極部の接続状態を説明する回路図である。
【図２６】（ａ）〜（ｄ）は同上の複数層のシート状アクチュエータ部の生成プロセスを説明する平面図である。
【図２７】（ａ）〜（ｄ）は同上の複数層のシート状アクチュエータ部の生成プロセスを説明する側面断面図である。
【図２８】同上のシート状アクチュエータ部を筒状立体構造に構成した場合を示し、（ａ）は電圧未印加時の状態を示し、（ｂ）は電圧印加時の拡大状態を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ電歪アクチュエータ
２Ａ紐状アクチュエータ部
２Ｂシート状アクチュエータ部
３Ａ，３Ｂ伸縮部
４Ａ電極部
４Ｂ柔軟電極部
５制御部
６電気絶縁膜
７貫通穴
３６中空部

Claims

絶縁伸縮材料からなる伸縮部と、伸縮部の両面に各々配置される導電性伸縮材料からなる電極部と、電極部に電圧を印加制御するための制御部とを備えた電歪アクチュエータにおいて、上記絶縁伸縮材料からなる伸縮部を筒状に形成すると共に該筒状の伸縮部の内外両面に導電性伸縮材料からなる電極部を各々配置することで紐状アクチュエータ部を構成し、上記紐状アクチュエータ部を編目状に編んで編目構造に構成すると共に上記編目構造を有する紐状アクチュエータ部を筒状立体構造に構成し、上記筒状立体構造は、筒の軸方向中心の外径寸法が軸方向両端の外径寸法よりも小さく絞られており、電圧印加時には筒の中心軸に対して筒の軸方向の伸縮量が大きくなり、筒状立体構造をその軸方向に膨張・収縮させることができるように構成したことを特徴とする電歪アクチュエータ。
絶縁伸縮材料からなる伸縮部と、伸縮部の両面に各々配置される導電性伸縮材料からなる電極部と、電極部に電圧を印加制御するための制御部とを備えた電歪アクチュエータにおいて、上記絶縁伸縮材料からなる伸縮部を筒状に形成すると共に該筒状の伸縮部の内外両面に導電性伸縮材料からなる電極部を各々配置することで紐状アクチュエータ部を構成し且つ上記紐状アクチュエータ部を螺旋状に巻いて螺旋立体構造に構成し、上記螺旋立体構造は、筒の軸方向中心の外径寸法が軸方向両端の外径寸法よりも小さく絞られており、電圧印加時には筒の中心軸に対して筒の軸方向の伸縮量が大きくなり、筒状立体構造をその軸方向に膨張・収縮させることができるように構成したことを特徴とする電歪アクチュエータ。
上記紐状アクチュエータ部が複数本束ねられていることを特徴とする請求項１記載の電歪アクチュエータ。
上記紐状アクチュエータ部を少なくとも２本以上束ねた状態で編目状に編んで編目構造を構成したことを特徴とする請求項１記載の電歪アクチュエータ。
上記筒状の伸縮部の内側に配置される電極部を筒状にして、紐状アクチュエータ部の中心部に中空部を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電歪アクチュエータ。
上記筒状の伸縮部の内側に導電性伸縮材料を隙間なく充填したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電歪アクチュエータ。
上記紐状アクチュエータ部における伸縮部の外側に配置される電極部の表面を電気絶縁膜にて被覆したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電歪アクチュエータ。
シート状の絶縁伸縮材料からなる伸縮部と、伸縮部の両面に各々配置される導電性伸縮材料からなる柔軟電極部と、柔軟電極部に電圧を印加制御するための制御部とを備えた電歪アクチュエータにおいて、上記伸縮部を構成する絶縁伸縮材料の表面に複数個の柔軟電極部を設けることでシート状アクチュエータ部を構成すると共に上記シート状アクチュエータ部を筒状立体構造に構成し、上記筒状立体構造は、筒の軸方向中心の外径寸法が軸方向両端側の外径寸法よりも小さく絞られており、電圧印加時には筒の中心軸に対して筒の軸方向の伸縮量が大きくなり、筒状立体構造をその軸方向に膨張・収縮させることができるように構成したことを特徴とする電歪アクチュエータ。
上記シート状アクチュエータ部に複数個の貫通穴を穿設したことを特徴とする請求項８記載の電歪アクチュエータ。
上記シート状アクチュエータ部の柔軟電極部を編目状パターンに形成したことを特徴とする請求項８記載の電歪アクチュエータ。
上記シート状アクチュエータ部の表面に絶縁伸縮材料をコーティングし、その上に柔軟電極部をパターン形成する工程によってシート状アクチュエータ部が複数層形成されていることを特徴とする請求項８記載の電歪アクチュエータ。