JP4937585B2 - 高分子アクチュエータユニット - Google Patents

Description

この発明は、高分子材料に外部入力を与えることによって、高分子材料が変形し、機械的なエネルギーを発生させる高分子アクチュエータユニットに関する。

従来、高分子アクチュエータユニットにおいて、誘電性エラストマの両面に２つに分割した柔軟電極を塗布し、分割された中央に出力軸を設け、誘電性エラストマの変位、推力を外部に取り出す構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特願２００１−５１０９２８号公報

しかしながら、このものの場合、変位を一方向に増大させるためには、材料自身の寸法を大きくする必要があり、高分子アクチュエータユニットの小型・軽量化が難しいという問題点があった。

この発明は、上述のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、小型・軽量化を維持して、変位を増大させることができる高分子アクチュエータユニットを提供するものである。

この発明に係る高分子アクチュエータユニットは、微小変形の範囲内で繰り返し伸縮する高分子アクチュエータと、前記高分子アクチュエータの動作点に設けられて第１の突起を有するラチェット固定部、前記ラチェット固定部に回転自在に保持され、前記高分子アクチュエータの伸長及び収縮の一方に応じて前記第１突起に係止され、前記高分子アクチュエータの伸長及び収縮の他方に応じて前記第１の突起への係止を解除される第２の突起を有するラチェット軸を有する押し板と、間隔をおいて複数個配置され、前記押し板に係止される受け板を有する移動体とを備え、前記高分子アクチュエータの中で動作点以外の一部を固定部とし、前記高分子アクチュエータの伸縮運動に連動して、前記移動体が一方向に移動するものである。

この発明に係る高分子アクチュエータユニットによれば、小型・軽量化を維持して、変位を増大させることができる。

以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当の部材、部位については、同一符号を付してある。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る高分子アクチュエータユニットの全体斜視図、図２（ａ）は図１の要部拡大図、図２（ｂ）は図１の押し板２の分解斜視図である。

この高分子アクチュエータユニットは、外部からの電圧の印加により伸縮する高分子アクチュエータ１を備えている。この高分子アクチュエータ１の一端部にある高分子アクチュエータ１の動作点には、ラチェット機構を有する押し板２が設けられている。この押し板２は、ラチェット固定部２ａおよびラチェット軸２ｂからなるラチェット機構と、押し板本体２ｃとを有している。ラチェット固定部２ａは、基端部が高分子アクチュエータ１の一端部に固定され、先端部には第１の突起５が設けられている。ラチェット軸２ｂは、ラチェット固定部２ａに回転自在に支持されており、ラチェット軸２ｂが所定の角度より一方向に回転しないように第１の突起５に係止される第２の突起６が設けられている。矩形状をした押し板本体２ｃは、ラチェット軸２ｂの軸の下側に固定されている。

押し板本体２ｃの下方には、高分子アクチュエータ１の伸縮方向に沿って移動体３が設けられている。移動体３の上部には、間隔をおいて複数個の受け板３ａが直線上に配置されている。また、この隣接する受け板３ａの間には、押し板本体２ｃが受け板３ａと隙間をもって位置している。
一方、高分子アクチュエータ１の他端部は、基礎となる固定治具４に固定されている。また、移動体３は固定治具４に設けられた潤滑を施したレール（図示せず）の上に保持され、低摩擦でレールの上を移動することができる。

以下、上記構成の高分子アクチュエータユニットの動作について説明する。
高分子アクチュエータ１に電圧を印加し、高分子アクチュエータ１が伸長する場合には、押し板本体２ｃは押し板本体２ｃより図１のＡ側にある受け板３ａと当接し、さらに高分子アクチュエータ１が伸長すると、力の作用反作用の法則により、押し板本体２ｃがＢの方向に力が加えられ、ラチェット軸２ｂは図２（ｂ）のＣの方向への回転力を受ける。
その結果、ラチェット固定部２ａの第１の突起５とラチェット軸２ｂの第２の突起６とが当接するので、ラチェット機構はロック状態となる。
この状態で、高分子アクチュエータ１がさらに伸長すると、その伸長した長さと同等の距離だけ、押し板本体２ｃは前進し受け板３ａをＡの方向に押し出すので、移動体３はＡの方向へ移動する。

次に、高分子アクチュエータ１に反対の電圧を印加した場合には、高分子アクチュエータ１が収縮し、押し板本体２ｃは押し板本体２ｃよりＢ側にある受け板３ａと当接し、さらに高分子アクチュエータ１を収縮すると、力の作用反作用の法則により、押し板本体２ｃがＡの方向に力が加えられ、ラチェット軸２ｂはＤの方向への回転力を受ける。
その結果、第１の突起５と第２の突起６は当接しないので、ラチェット機構はフリー状態となり、ラチェット軸２ｂはＤの方向へ回転し、押し板本体２ｃはＡの方向へ傾く。
この状態で、高分子アクチュエータ１がさらに収縮すると、押し板本体２ｃの下端部が受け板３ａの上部まで持ち上げられ、高分子アクチュエータ１の収縮した長さ分だけ押し板本体２ｃが後退し受け板３ａをＢの方向へ飛び越えていく。
このとき、移動体３は力を受けていないので、固定治具４の上で移動しない。

上述したように高分子アクチュエータ１が初期状態から電圧を印加して伸長し、逆向きの電圧を印加して収縮し、再び初期の状態に戻る１サイクルの間で、伸長した距離と収縮して飛び越えた距離とを足した距離だけ押し板２は移動体３をＡの方向へ移動させる。
高分子アクチュエータ１の伸長と収縮とを繰り返し、最後に、押し板２が移動体３のＢの方向の端面を押し出すと、押し板本体２ｃと当接する受け板３ａがなくなり、移動体３の移動は終了する。

以上、説明したように、この高分子アクチュエータユニットによれば、高分子アクチュエータ１の伸縮運動により、移動体３は大きなストローク駆動を得ることができる。
また、高分子アクチュエータ１を小型にして、伸縮運動の変位が微小となっても、伸縮回数を増やすことで、移動体３は大きなストローク駆動を得ることができるので、高分子アクチュエータユニットの小型化が可能となる。
さらに、高分子アクチュエータ１を微小変形の範囲内で使用するので、繰り返し疲労が緩和され、アクチュエータとしての寿命が向上する。

実施の形態２．
図３（ａ）は実施の形態２に係る高分子アクチュエータユニットの要部拡大図、図３（ｂ）は図３（ａ）の押し板２の分解斜視図である。

この高分子アクチュエータユニットでは、押し板２はバネ２ｄを有しており、このバネ２ｄは一端部がラチェット固定部２ａに固定され、他端部は押し板本体２ｃに固定されている。またバネ２ｄは、無荷重状態で９０度の角度を保っているので、ラチェット固定部２ａと押し板本体２ｃとの間にできる角度は９０度である。
さらにまたこのバネ２ｄは、高分子アクチュエータ１が収縮し、押し板本体２ｃが押し板本体２ｃより図１のＢ側にある受け板３ａと当接し、ラチェット軸２ｂが図３のＤの方向への回転力を受けた場合には、ラチェット軸２ｂがＤの方向へ容易に回転する程度に弾性力が小さく、移動体３と固定治具４との間に作用する摩擦力より小さい弾性力を有している。したがって、このバネ２ｄにより移動体３が移動することはない。
その他の構成は、実施の形態１と同様である。

この高分子アクチュエータユニットによると、バネ２ｄは押し板本体２ｃが隣接する受け板３ａの間に位置するように付勢しているので、高分子アクチュエータユニットがどのような向きに配置された場合であっても、押し板本体２ｃが隣接する受け板３ａ間から外れることなく、高分子アクチュエータ１の伸縮運動から移動体３の大きな駆動ストロークを得ることができる。

実施の形態３．
図４は実施の形態３に係る高分子アクチュエータユニットの全体斜視図である。

この高分子アクチュエータユニットでは、固定体７が基礎となる固定治具４に固定されている。固定体７の上部には、間隔をおいて複数個の受け板７ａが直線上に配置されている。また、この隣接する受け板７ａの間には、押し板本体２ｃが受け板７ａと隙間をもって位置されている。また、高分子アクチュエータ１は、固定治具４に設けられ潤滑に施したレール（図示せず）の上に保持され、低摩擦でレールの上を移動し、実施の形態１の移動体３と同等の作用をする。
その他の構成は、実施の形態１と同様である。

この実施の形態３に係る高分子アクチュエータユニットによれば、高分子アクチュエータ１の伸縮運動により、高分子アクチュエータ１を断続的に移動させることができ、大きな移動距離を有する移動体を得ることができる。

実施の形態４．
この高分子アクチュエータユニットでは、実施の形態２と同様にバネ２ｄが設けられている。
その他の構成は、実施の形態３と同様である。

この高分子アクチュエータユニットによると、バネ２ｄは押し板本体２ｃが隣接する受け板３ａの間に位置するように付勢しているので、高分子アクチュエータユニットがどのような向きに配置された場合であっても、押し板本体２ｃが隣接する受け板３ａから外れることなく、高分子アクチュエータ１の伸縮運動から、大きな変位を有する移動体を得ることができる。

実施の形態５．
図５は実施の形態５に係る高分子アクチュエータユニットの全体斜視図である。

この高分子アクチュエータユニットでは、実施の形態１の移動体３に対応する部分が歯車８となっている。この歯車８の中心には軸受け９が設けられている。
固定治具４には、軸１０が圧入され固定されており、この軸１０には軸受け９を介して歯車８が回転自在に保持されている。
図示していないが、この歯車８には回転運動を直線運動に変換する機構が連結されている。
その他の構成は、実施の形態２と同様である。

この高分子アクチュエータユニットによると、高分子アクチュエータ１の伸縮運動により、歯車８が回転するので、高分子アクチュエータ１が伸縮運動を続ける限り、歯車８の回転を介して、直線運動の駆動ストロークを拡大することができる。

なお、上記各実施の形態では、高分子アクチュエータ１には電気エネルギーを印加して変形させるとして説明したが、勿論このものに限らず、例えば、磁気エネルギーや光といった、高分子アクチュエータを変形させる外部入力であってもよい。

また、上記各実施の形態では、移動体３または固定体７をラックまたはギアとして説明したが、勿論このものに限らず、例えば、無限軌道のようなものであってもよい。

実施の形態１に係る高分子アクチュエータユニットの全体斜視図である。 （ａ）は図１の要部拡大図、（ｂ）は図１の押し板の分解斜視図である。 （ａ）は実施の形態２に係る高分子アクチュエータユニットの要部拡大図、（ｂ）は図３（ａ）の押し板の分解斜視図である。 実施の形態３に係る高分子アクチュエータユニットの全体斜視図である。 実施の形態５に係る高分子アクチュエータユニットの全体斜視図である。

符号の説明

１ 高分子アクチュエータ、２ 押し板、２ａ ラチェット固定部、２ｂ ラチェット軸、２ｃ 押し板本体、２ｄ バネ、３ 移動体、３ａ 受け板、４ 固定治具、５ 第１の突起、６ 第２の突起、７ 固定体、７ａ 受け板、８ 歯車、９ 軸受け、１０ 軸。

Claims (6)

1. 微小変形の範囲内で繰り返し伸縮する高分子アクチュエータと、
   前記高分子アクチュエータの動作点に設けられて第１の突起を有するラチェット固定部、前記ラチェット固定部に回転自在に保持され、前記高分子アクチュエータの伸長及び収縮の一方に応じて前記第１突起に係止され、前記高分子アクチュエータの伸長及び収縮の他方に応じて前記第１の突起への係止を解除される第２の突起を有するラチェット軸を有する押し板と、
   間隔をおいて複数個配置され、前記押し板に係止される受け板を有する移動体と、
   を備え、
   前記高分子アクチュエータの動作点以外の一部を固定部とし、前記高分子アクチュエータの伸縮運動に連動して、前記移動体が一方向に移動することを特徴とする高分子アクチュエータユニット。
2. 微小変形の範囲内で繰り返し伸縮する高分子アクチュエータと、
   前記高分子アクチュエータの動作点に設けられて第１の突起を有するラチェット固定部、前記ラチェット固定部に回転自在に保持され、前記高分子アクチュエータの伸長及び収縮の一方に応じて前記第１突起に係止され、前記高分子アクチュエータの伸長及び収縮の他方に応じて前記第１の突起への係止を解除される第２の突起を有するラチェット軸を有する押し板と、
   間隔をおいて複数個配置され、前記押し板に係止される受け板を有する固定体と、
   を備え、
   前記固定体を固定部とし、前記高分子アクチュエータの伸縮運動に連動して、前記高分子アクチュエータが一方向に移動することを特徴とする高分子アクチュエータユニット。
3. 前記押し板は、
   前記ラチェット軸に固定され、前記受け板を係止する押し板本体と、
   一端部が前記ラチェット固定部に固定され、他端部が前記押し板本体に固定され、隣接する前記受け板間にある前記押し板が前記受け板に非接触の場合には、前記ラチェット固定部と前記押し板本体との間の角度を所定の角度に維持するバネと、
   をさらに備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高分子アクチュエータユニット。
4. 前記移動体または前記固定体は、ラックであることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の高分子アクチュエータユニット。
5. 前記移動体は、歯車であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の高分子アクチュエータユニット。
6. 前記移動体は、前記押し板が係止される部位が無端状の軌道に沿って配列される無限軌道であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の高分子アクチュエータユニット。

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