JP4562507B2 - 伸縮駆動用素子 - Google Patents

Description

本発明は、伸縮駆動用素子及びそれを用いた伸縮駆動装置に関する。

従来、伸縮運動させるための方法としては、モーターシャフト等の回転運動体に運動変換機構を接続して、回転運動を往復運動に変化して例えばベローズを伸縮運動させる方法が通常である（例えば、特許文献１）。

特開２０００-３２９０６８号公報

しかし、上記のように伸縮運動または往復運動を得るための駆動装置としては、回転方向から直線方向へ変換する運動変換装置が必要であるのが通常である。例えば、モーターシャフトに固定されたドライブカム、該ドライブカムに装着されたヨークカム、該ヨークカムを支持してフレームに固定されたコンロッドを備えた装置であるように、多数の部品構成からなり、装置構成が複雑である。

また、前記変換装置は、耐久性の確保のため金属材料により構成されているのが通常であり、組み立てを容易にするために一定以上の大きさとする必要があるので、高分子材料で形成された装置に比べて重い。さらに、モーター及びそのモーターのモーターシャフトに取付けられる運動変換装置を備えた駆動機構は、モーターの装置構成上、一定以上の大きさを有し、１辺が数センチ程度の立方体に収まる構造を作ることは難しい。

また、焦点調節装置など直線方向に駆動する装置においても、モーターを用いて装置を構成した場合には、装置構成が複雑になり、重量も重く、小型の装置を作ることは難しい。

更に、モーターを用いた装置は、雑音が大きく、家庭用や医療用などの用途に不向きである。そのため、駆動用素子が無音であることが望ましい。

つまり、直線的な運動により駆動する装置を駆動させるために、モーターに代表される回転運動をする駆動用素子を用いた場合には、装置構成は複雑になり、重量も重く、小型のポンプを作ることは難しい。

本発明の目的は、直線的運動により駆動する装置に用いることができる伸縮駆動用素子であって、構造が簡単であり、軽量であり、容易に小型化することができる伸縮駆動用素子及びそれを用いた伸縮駆動装置を提供することである。

そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、本発明に至った。

本請求項１の発明は、一対の端部を有し、略円弧状の断面を備えた湾曲状板状体で構成され、当該湾曲状板状体が、電極層間に固体電解質層が挟まれた積層構造を厚さ方向に備えたバイモルフ型のアクチュエーター素子からなり、前記電極への通電により前記湾曲状板状体の一端部が他端部に対して離反し又は接近して伸縮運動を与える伸縮駆動用素子。
本請求項２の発明は、前記湾曲状板状体が、断面略Ｃ字形状である請求項１記載の伸縮駆動用素子である。
本請求項３の発明は、前記湾曲状板状体が、断面略弓形形状である請求項１記載の伸縮駆動用素子である。
本請求項４の発明は、前記湾曲状板状体が、断面略Ｖ字形状である請求項１記載の伸縮駆動用素子である。
本請求項５の発明は、前記湾曲状板状体の一端部が自由端部であり、他端部が支持端部である請求項１〜４のいずれかの項に記載の伸縮駆動用素子である。
本請求項６の発明は前記湾曲状板状体が、折り曲げられた構造体であって、対向する両端部に相互に離反する方向に弾発力が付与された請求項１〜５のいずれかの項に記載の伸縮駆動用素子である。
本請求項７の発明は、前記湾曲状板状体が、折り曲げ状態に成形された成形体である請求項１〜５のいずれかの項に記載の伸縮駆動用素子である。
本請求項８の発明は、上下対向する基体の間に、略円弧状の断面が対向軸を挟んで互いに逆向きとなるように複数の伸縮駆動用素子が並んで配設されており、
当該伸縮駆動用素子は前記請求項１〜７のいずれかの項に記載の伸縮駆動用素子で構成されており、
前記両伸縮駆動用素子の湾曲状板状体の一端部が上側基体に自由端として接し、他端部が下側基体に支持されている伸縮駆動装置である。
本請求項９の発明は、前記両伸縮駆動用素子の湾曲状板状体の前記他端部が、複数の電極支持部で下側基体に支持されている請求項８記載の伸縮駆動装置である。
本請求項１０の発明は、前記対向軸に、上側基体と下側基体とを連結する連結体が設けられている請求項８又は９記載の伸縮駆動装置である。
本請求項１１の発明は、前記伸縮駆動用素子の湾曲状板状体には、その中間領域に両端部間を横断し電極領域を複数に区分する電気的絶縁部が形成されている請求項８〜１０のいずれかの項に記載の伸縮駆動装置である。
本請求項１２の発明は、上下対向する基体が上下方向に複数縦設させており、各基体間に複数の伸縮駆動用素子が並んで配設されている請求項８〜１１のいずれかの項に記載の伸縮駆動装置である。
本請求項１３の発明は、複数縦設された各基体間に、複数の伸縮駆動用素子がその略円弧状の断面が対向軸を挟んで互いに逆向きとなるように対向して並んで配設されており、
上記対向軸に前記複数の基体同士を連結する連結体が設けられており、
当該連結体は前記対向軸の軸方向に引張する弾発力によって付勢されており、
前記各基体間には、上記引張力に抗して基体同士の間隔を保持するスペーサーが設けられている請求項８記載の伸縮駆動装置である。

本発明は、上記構成により、直線的運動あるいは曲線的運動などにより駆動する装置に用いることができる。また素子そのものが柔軟であるので、倣い動作が可能である。しかも、構造が簡単であり、軽量であり、容易に小型化することができる。
従って、特に、ロボットの指、腕などの手のほか、足、胴部などに用いることができる。また、内視鏡の駆動装置、レンズの駆動装置、各種測定装置のテーブル駆動装置、アクティブダンパーの駆動装置、介護用ベットの駆動装置などにも利用することができる。

以下、本発明について、図を用いて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１は、本発明に係る伸縮駆動用素子の一実施態様を示す概略断面図である。図１において、１００は一対の対向する端部１０１、１０２を有する断面略Ｃ字形状の湾曲状板状体である。この湾曲状板状体１００は、電極層１０３、１０４間に固体電解質層１０５が挟まれた積層構造を厚さ方向に備えたバイモルフ型のアクチュエーター素子からなり、前記電極層１０３、１０４への通電により前記断面略Ｃ字形状の湾曲状板状体の端部１０１が端部１０２に対して離反し又は接近して上下方向に伸縮運動を与える構成となっている。なお、１０６、１０７は電極層１０３、１０４にそれぞれ接続された電極、１０８は上側基体、１０９は下側基体である。前記湾曲状板状体１００の端部１０１は自由端部として構成され、上側基体１０８に接しており、端部１０２は下側基体１０９に設けられた電極支持部１１０に支持されている。

この湾曲状板状体１００は、元来フラットなアクチュエーター素子を断面略Ｃ字形状に折り曲げられた構造体であり、対向する端部１０１、１０２には相互に離反する方向に弾発力が付与されている。湾曲状板状体１００は、図１に示す折り曲げ角度（θ）で折り曲げられているが、この角度（θ）は上側基体１０８の伸縮の程度で適宜決定されるが、特にこの湾曲状板状体１００に弾発力が付与する場合は、その必要な弾発力な程度も考慮した角度で調整される。

従って、この実施形態の伸縮駆動用素子は、端部１０１、１０２が相互に離反する方向に弾発力が付勢された状態を保持しながら上側基体１０８に対して上方向に強力な伸びの運動を付与することができる。すなわち、電極１０６、１０７にそれぞれプラスマイナスが逆になるように、リード線を介して電源に接続された電極を通じて電極層１０３、１０４に電圧が印加されることにより、イオン交換樹脂などの固体電解質層１０５内に含まれる水分子及びイオンが移動することによって、湾曲状板状体１００が伸縮運動を起こすものである。

図２はアクチュエーター素子を用いた伸縮駆動装置の好ましい例を示す概略断面図である。図３は図２の概略右側面図である。
図２及び図３によれば、上下対向する基体１０８、１０９の間に、略Ｃ字形状が対向軸Ｘを挟んで互いに逆向きとなるように複数の前記伸縮駆動用素子１００ａ、１００ｂが並んで配設されており、前記両伸縮駆動用素子の湾曲状板状体の端部１０１、１０１がそれぞれ上側基体１０８に自由端として接し、端部１０２、１０２が下側基体１０９に支持されている。

また図２に示すように、前記対向軸Ｘには、上側基体１０８と下側基体１０９とを連結する連結体１１が設けられている。この例では連結体１１０は紐で形成されているが、限定されない。また図３に示すように、この伸縮駆動用素子１００ａ、１００ｂにはその中間領域に上下方向の端部１０１、１０２間を横断し電極層１０３、１０４の電極領域を複数に区分する電気的絶縁部１１２が形成されている。１０３ａ、１０３ｂは区分された内側の各電極層である。外側の電極層１０４も同様に電気的絶縁部によって区分されている。（図示せず）

従って、この伸縮駆動装置は、図４に示すように、伸縮駆動用素子１００ａ、１００ｂの電極１０６、１０７にそれぞれプラスマイナスが逆になるように、リード線を介して電源に接続された電極を通じて電極層１０３、１０４に電圧が印加されることにより、イオン交換樹脂などの固体電解質層１０５内に含まれる水分子及びイオンが移動することによって、伸縮駆動用素子１００ａ、１００ｂがそれぞれ異なる伸縮運動が発生し、上側基体１０８は傾斜し、またこれとは反対に通電することによって逆傾斜の運動を行なうものである。

さらに、図５に示すように、電気的絶縁部によって区分された内側の電極層１０３ａ、１０３ｂにプラスマイナス逆に通電することによって、伸縮駆動用素子１００ａが側面側において傾斜する運動を与えることができる。なお、この場合、図示していないが、外側の電極層１０４も、電極層１０３ａ、１０３ｂに相当する領域において同一極の通電がなされる。

したがって、この絶縁部１１２を有する伸縮駆動用素子１００であれば、図６に示すように、次元が異なる傾斜面を与えることができるものである。またさらに、図７に示すように、このような伸縮駆動用素子１００を３つ以上を円盤状のテーブルの如き基体１０８、１０９の間に円周上に配置すれば、さらに複雑な運動を当該テーブルに与えることができる。

ところで、本発明は上記実施態様に限定されない。例えば、図８に示すように、一方の端部１０１を自由端として軸支部２００を有する回転体２０１に接して、回転運動を与えるようにすることができる。また、図９に示すように、上側基体１０８の上下運動を、軸部３０１上をスライドするスライド体３００に伝達する構成も採用することができる。

さらに、図１０や図１１に示すように、端部１０１を回転体４００に直接軸支４０１したり、端部１０１を上側基体５００に固定させることも可能である。

また、電極６０１、６０２を、上側基体１０８と下側基体１０９のそれぞれにおいて配設することもできる。

図１３はロボットの指部を構成する伸縮駆動装置であり、上下対向する基体１０８、１０９が上下方向に複数縦設させており、各基体１０８、１０９間に複数の伸縮駆動用素子１００が並んで配設されており、前記対向軸Ｘに上側基体１０８と下側基体１０９と連結する前記連結体１１２が設けられ、当該連結体１１２には前記対向軸Ｘの軸方向に引張するスプリングなどの弾性体７００が設けられ、前記連結体１１２の周囲に前記上側基体１０８と下側基体１０９との間の空間を保持するスペーサーとしてカラー部材７０１が設けられているものである。これにより、上記空間を保持しながら、通電の態様によって多重的に個々の伸縮駆動装置を動かすことができ、複雑でかつ円滑な指などの動きを実現することができる。

なお、本発明は、前記湾曲状板状体を断面略Ｃ字形状等の折り曲げ状態に成形された成形体として形成することもできる。これにより、図１４〜図１５及び図１６−１〜図１６−４のような構造の駆動用素子として構成することもできる。

図１７は、断面略弓形形状の素子を用いた本発明の他実施形態における伸縮駆動装置の概略断面図である。図１７において、この装置に用いられた伸縮駆動用素子１００ａ、１００ｂは、図示の通り、断面略弓形形状である湾曲状板状体で構成されている。この素子は、前記の素子と同様に、電極層間に固体電解質層が挟まれた積層構造を厚さ方向に備えたバイモルフ型のアクチュエーター素子からなっている。図１７において符号に示す部位は前記実施形態の符号と同一の部位を示している。この断面略弓形形状である湾曲状板状体の素子を用いた場合は、前記実施形態の素子と同様に、上側基体１０８に対して接する一対の素子１００ａ、１００ｂが電極支持部１０６、１０７により支持された端部１０２、１０２を支点として、端部１０１、１０１が上下方向に略円運動をし、これにより上側基体１０８が上下動する。この素子は断面略弓形形状であるため、その変位は前記素子と比べてすく小さいが、上側基体１０８などを支える力は大きくなる。

図１８は、断面略弓形形状の素子を用いた本発明のさらに他実施形態における伸縮駆動装置の概略断面図である。同装置では、対向する素子１００ａ、１００ｂの間に、下側基体１０９に設けられた支持部１０９１が配置されており、当該支持部１０９１に上側基体１０８１が回転可能に軸支されている。
従って、素子１００ａ、１００ｂにプラスマイナスが反対にして通電することにより、素子１００ａ、１００ｂの端部１０１、１０１が上下方向に略円運動をすると、上側基体１０８１が支持部１０９１を軸にして回転し、当該軸を境にして一定角度の傾斜とその逆角度の傾斜を繰り返す運動を起こすことになる。
なお、素子の端部１０１は、上側基体１０８１に対して、図１８のように接しているだけでなく、他に、固定させ又は回転可能に軸支されるなど、色々な態様を採用できることは前記実施形態の装置と同じであり、既述した通りである。

図１９は、断面略弓形形状の素子を積層して増力確保するための伸縮駆動装置の応用例を示す概略断面図である。図２０はそのＸ−Ｘ線概略断面図である。図１９に示すように、本実施形態は、上側基体１０８２を一対の素子１００、１００が上下において挟み込む構造となっている。そして、上側基体１０８２は、図１９及び図２０に示すように、その中央部において回転可能に軸支１０８４されており、通電より、少ない変位で上側基体１０８２が回転し、それにともない上側基体１０８２に繋がった断面Ｔ字部１０８３がわずかな変位であるが更に大きな力で曲線運動を起こすことになる。なお、本実施形態の装置は、下側基体１０９２は、図示のように、内部に前記４つの素子が支持されたハウジングとして構成している。

断面略弓形形状の素子を用いた伸縮駆動装置は、このように少ない変位ではあるが大きな応力を実現可能であるため、図１９の装置の変形例として、例えば図２１に示すような装置を使用することもできる。この装置によれば、通電によって、同方向に変位する複数で多数の素子１００ａを上側に、同方向に変位する複数で多数の素子１００ｂを下側に配置し、回転可能に軸支１０８４された上側基体１０８２をわずかな変位で回転させる構成であるため、素子がよりより強力な力で素子１００ａ、１００ｂで支持されながら、断面Ｔ字部１０８３に対して回転運動を与えることが可能となる。

そして、このような図１９や図２１に示す装置を、図２２に示すように、上下に積むことにより、例えばロボットハンドにおける強力な指部として構成させることが可能となる。

本発明の駆動用素子は、素子そのもので回転運動や直線的な伸縮運動を付与する駆動ができる。また素子そのものが柔軟であるので、倣い動作が可能である。しかも、構造が簡単であり、軽量であることから、容易に小型化することができる。
従って、本発明の駆動用素子は、位置決め装置、姿勢制御装置、昇降装置、搬送装置、移動装置、調節装置、調整装置、誘導装置、または関節装置の駆動部に好適に用いることができる。特に、本発明の駆動用素子は、構造が簡単であり、軽量であり、小型化が容易であることから焦点調節装置及びズームレンズユニットとして好適に用いることができる。
特に、ロボットの指、腕などの手のほか、足、胴部などに好適に用いることができる。また、内視鏡の駆動装置、レンズの駆動装置、各種測定装置のテーブル駆動装置、アクティブダンパーの駆動装置、介護用ベットの駆動装置などにも利用することができる。
また例えば、前記絶縁ラインを細密にし、その絶縁ラインで区画された要素を立体素子として、コンピューター上で作図したものを、立体的に出力させる３次元の印字・画像・図などの出力装置（あるいはディスプレー装置）や、金型作成の際の木型代替物用として適用することができる。また、上記立体素子を伸縮制御することによってゴムチューブ状などの配管に対して押圧する弁としても使用できる。さらに、流量を制御させる立体素子としても使用できる。

図１は、本発明に係る伸縮駆動用素子の一実施態様を示す概略断面図である。 図２はアクチュエーター素子を用いた伸縮駆動装置の好ましい例を示す概略断面図である。 図２の概略右側面図である。 図２の伸縮駆動装置の稼動状態を示す概略断面図である。 図２の伸縮駆動装置の稼動状態を示す概略側面図である。 図２の伸縮駆動装置の稼動状態を示す概略斜視図である。 本発明の装置の他の実施形態を示す概略平面図である。 図７−１の装置の概略正面図である。 本発明の装置のさらに他の実施形態を示す概略平面図である。 本発明の装置のさらに他の実施形態を示す概略平面図である。 本発明の装置のさらに他の実施形態を示す概略平面図である。 本発明の装置のさらに他の実施形態を示す概略平面図である。 本発明の装置のさらに他の実施形態を示す概略平面図である。 本発明の装置のさらに他の実施形態を示す概略平面図である。 本発明に係る伸縮駆動用素子の成形体の実施態様を示す概略断面図である。 同概略側面図である。 本発明に係る伸縮駆動用素子の成形体の更なる実施態様を示す概略断面図である。 同他の成形体にかかる第２実施態様を示す概略概念図である。 同他の成形体にかかる第３実施態様を示す概略概念図である。 同他の成形体にかかる第４実施態様を示す概略概念図である。 同他の成形体にかかる第５実施態様を示す概略概念図である。 本発明に係る断面略弓形形状の伸縮駆動用素子を搭載した装置の第１実施形態を示す概略側面図である。 同装置の第２実施形態を示す概略側面図である。 同装置の第３実施形態を示す概略断面図である。 図１９のＸ−Ｘ線断面図である。 同装置の第４実施形態を示す概略断面図である。 図２１の装置を複数搭載した装置の概略図である。

符号の説明

１００ 湾曲状板状体
１０１、１０２ 端部
１０３、１０４ 電極層
１０５ 固体電解質層
１０６、１０７ 電極
１０８ 上側基体
１０９ 下側基体
１１０ 電極支持部

Claims (7)

1. 上下対向する基体の間に、略円弧状の断面が対向軸を挟んで互いに逆向きとなるように複数の伸縮駆動用素子が並んで配設されており、
   当該伸縮駆動用素子は、一対の端部を有し、略円弧状の断面を備えた湾曲状板状体で構成され、当該湾曲状板状体が、電極層間に固体電解質層が挟まれた積層構造を厚さ方向に備えたバイモルフ型のアクチュエーター素子からなり、前記電極への通電により前記湾曲状板状体の一端部が他端部に対して離反し又は接近して伸縮運動を与える伸縮駆動用素子で構成されており、
   前記両伸縮駆動用素子の湾曲状板状体の一端部が上側基体に自由端として接し、他端部が下側基体に支持されている伸縮駆動装置。
2. 前記両伸縮駆動用素子の湾曲状板状体の前記他端部が、複数の電極支持部で下側基体に支持されている請求項１記載の伸縮駆動装置。
3. 前記対向軸に、上側基体と下側基体とを連結する連結体が設けられている請求項１又は２記載の伸縮駆動装置。
4. 前記伸縮駆動用素子の湾曲状板状体には、その中間領域に両端部間を横断し電極領域を複数に区分する電気的絶縁部が形成されている請求項１〜３のいずれかの項に記載の伸縮駆動装置。
5. 上下対向する基体が上下方向に複数縦設させており、各基体間に複数の伸縮駆動用素子が並んで配設されている請求項１〜４のいずれかの項に記載の伸縮駆動装置。
6. 複数縦設された各基体間に、複数の伸縮駆動用素子がその略円弧状の断面が対向軸を挟んで互いに逆向きとなるように対向して並んで配設されており、
   上記対向軸に前記複数の基体同士を連結する連結体が設けられており、
   当該連結体は前記対向軸の軸方向に引張する弾発力によって付勢されており、
   前記各基体間には、上記引張力に抗して基体同士の間隔を保持するスペーサーが設けられている請求項１記載の伸縮駆動装置。
7. 前記伸縮駆動用素子の湾曲状板状体が、断面略Ｃ字形状、断面略弓形形状、断面略Ｖ字形状、または折り曲げ状態に成形された成形体である請求項１記載の伸縮駆動装置。

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