JP4967019B2 - 電歪アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電気活性ポリマー（ＥＡＰ：electroactive polymer）を用いた電歪アクチュエータ素子を用いたモジュールに係わり、特に大きな変位量又は駆動力を効率良く取り出せるようにした電歪アクチュエータに関する。

電気活性ポリマーを用いた電歪アクチュエータ素子は、通電することにより面積方向の変位が得られる。この面積方向の変位をもちいて、垂直方向の変位を取り出す試みが行われている。例えば、下記の特許文献１には、円形の穴を備えたフレームに、プリストレインドを取り付けることにより構成されたダイヤグラムアクチュエータに関する発明が記載されている。

プリストレインドポリマの両側には円形電極が固定されており、これらの電極間に所定の電位差を与えると、前記円形の穴に垂直な方向にプリストレインドポリマを変形させることが可能となっている。
特表２００３−５０６８５８号公報（００４９−００５０、図１Ｅ，１Ｆ）

しかし、このような電歪アクチュエータは柔軟なポリマーと変形可能な電極から構成されるため、外部からの垂直方向からの力に対しては十分な強度を得ることが難しく、駆動力、耐荷重といった観点で実用的でなかった。

また、このようなアクチュエータでは、予め変位の方向付けが可能であることができることが好ましい。この点、上記特許文献１に記載のアクチュエータには、上方への変位量を大きくするために、シリコンオイルなどの膨張剤を下面側に加えるようにした構成が記載されている。

しかし、シリコンオイルなどを加えて変位量や変位の方向付けを行う方法では、製造コストを低減することが難しく、また製造工程も複雑になるという問題がある。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、簡単且つ安価な構成で、垂直方向に十分な強度、耐荷重、駆動力が得られ、しかも変位の方向付けを行えるようにした電歪アクチュエータを提供することを目的としている。

本発明は、駆動信号に応じて板厚方向およびこれと直交する方向に変形することが可能な伸縮部材と、
前記伸縮部材の一方の端部と接続され、前記伸縮部材の板厚方向と直交する方向への力に応じて前記伸縮部材の板厚方向に変形可能な弾性変形部材と、
前記伸縮部材の他方の端部を固定する固定部材とを備え、
前記伸縮部材には、前記板厚方向と直交する方向の張力が与えられており、この張力によって前記弾性変形部材に変形が与えられた状態で、前記伸縮部材の他方の端部が前記固定部材に固定されていることを特徴とするものである。

本発明では、あらかじめ伸縮部材（電歪アクチュエータ素子）に張力を与えて弾性変形部材を変形させておき、この初期状態から張力を開放することにより、大きな変位量または力を取り出すことができる。また、垂直方向の加重に対しては弾性部材の弾性が抗力として働くため、電歪アクチュエータ素子単独の場合に比べて格段に強度、耐荷重が向上する。

例えば、前記伸縮部材が貫通穴を有する形状とされ、前記一方の端部が前記伸縮部材に形成された貫通穴の内縁とされ、前記他方の端部が前記伸縮部材の外周とされており、前記弾性変形部材は皿状の板ばねで形成され、前記伸縮部材の前記一方の端部に前記皿状の板ばねの外縁である端部が固定されているものである。

また、前記弾性変形部材が、長板状の部材に凸部が形成された板ばねであり、前記板ばねの少なくとも一方の端部に前記伸縮部材の端部が固定されているものである。

上記において、前記伸縮部材は、伸縮性および絶縁性を有する基材と、伸縮性を有する一対の電極とを有し、前記基材の両面に前記電極がそれぞれ接合されたものが好ましい。

上記手段では、駆動信号に応じて大きな変位量や駆動力を発生させることが可能となる。

また弾性変形部材（板ばね）と伸縮部材との保持方法としては、例えば前記板ばねの端部が、前記電極に固定されているもの、あるいは前記板ばねの端部が、前記基材に固定されているものとすることができる。

上記においては、前記基材の一方の面に接合された一方の電極と、前記基材の他方の面に接合された他方の電極との間に所定の電圧をかけて駆動されるものである。

本発明では、あらかじめ弾性変形部材を変形させた状態（弾性エネルギーを蓄積した状態）に設定しておき、これを瞬間的に開放することにより、大きな変位量または駆動力を取り出すことができる。
また簡単な構成とすることができるため製造コストを低く抑えることができる。

図１は本発明の第１の実施の形態を示す電歪アクチュエータの斜視図、図２は図１の２−２線における矢視断面図、図３は伸縮部材に張力を与えて固定部材に保持した初期状態を示す電歪アクチュエータの断面図、図４は駆動信号を与えた動作状態を示す電歪アクチュエータの断面図、図５の（Ａ）は伸縮部材と弾性変形部材の接続部分の一例を拡大して示す断面図、（Ｂ）は他の一例を拡大して示す断面図である。

第１の実施の形態を示す電歪アクチュエータモジュール（以下、単に「電歪アクチュエータ」という）１Ａは、円盤状の伸縮部材（電歪アクチュエータ素子）１０と、皿状の板ばね（皿ばね）で形成された弾性変形部材２０とを有している。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、伸縮部材１０（電歪アクチュエータ素子）は中央部に基材１１が設けられ、その両面に一対の電極１２，１３が接合された三層構造である。基材１１は、伸縮性および絶縁性を有する部材で形成されている。この基材１１は、板厚方向および前記板厚方向と直交する方向（半径方向ともいう）に弾性変形することが可能な材料で形成されている。基材１１の材料としては、例えばシリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂またはオレフィン樹脂などを用いることができる。

電極１２，１３は基材１１の各面に対し、全面的に接合されていてもよいし、部分的に接合される構成であってもよい。前記電極１２，１３は板厚方向と直交する方向に基材１１の変形に追随して変形して伸縮するものが好ましく、例えば導電シリコーン、ハイドロゲル（導電性高分子）などを用いることができる。

図１、図２に示すように、弾性変形部材２０は、円板状の板ばねの中心部にドーム状に湾曲変形させて形成した凸部２２が設けられ、前記凸部２２の外周部は平坦な面で形成された基部２１である。

弾性変形部材２０は、凸部２２が貫通穴１０Ａの内側となるように配置され、基部２１が伸縮部材１０の内縁（貫通穴１０Ａの周囲）に接着剤などを介して固定されている。弾性変形部材２０の材料としては、例えばシリコーン樹脂、ＰＥＴ樹脂、アクリル樹脂およびＰＣ（ポリカーボネート）などを用いることができる。

なお、弾性変形部材２０は、図５（Ａ）に示すように基部２１が一方の電極１２又は電極１３に固定される構成であってもよいし、図５（Ｂ）に示すように基部２１が基材１１に固定される構成であってもよい。また図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、基部２１の上面側が基材１１または電極１３の下面側に固定される構成であってもよいし、図示しないが基部２１の下面側が基材１１または電極１３の上面側に固定される構成であってもよい。

図３に示すように、電歪アクチュエータ１Ａは、前記伸縮部材１０の外周縁部を外周方向に引っ張って押し広げた状態に設定され、張力Ｔをかけた状態（弾性エネルギーを蓄積した状態）で固定部材３０によって固定されている。固定部材３０は、例えば一対のリング状の部材３１，３２で構成することができる。この場合、一方の部材３１と他方の部材３２との間に、張力Ｔを掛けて伸ばした状態の伸縮部材１０の縁部を設置し、上下方向から前記縁部を挟み込むことで伸縮部材１０を保持固定することができる。

このとき、前記弾性変形部材２０は、基部２１が外周方向に引っ張られるため、自然の状態から見て凸部２２の高さ寸法が低くなる方向（扁平するＺ２方向）に変形させられており、この状態が駆動前の初期状態である。

図４に示すように、所定の駆動信号（駆動電圧）を与え、前記一対の電極１２，１３間に電位差を生じさせると、電極１２，１３間の距離が狭められる。このため、基材１１は板厚方向に圧縮変形される一方で、板厚方向と直交する周方向では面積が広がる方向に拡張変形される。ただし、伸縮部材１０の外周側の縁部は一定の内径寸法からなる固定部材３０（一方の部材３１と他方の部材３２）で固定されているため、伸縮部材１０は外周方向へ伸びることはなく、専ら内周（中心）方向に向かって伸びる。このため、初期状態の張力Ｔが開放され、弾性変形部材２０は元の状態に復帰しようとするため、凸部２２の高さ寸法は高くなる方向（Ｚ１方向）に変形させられる。

そして、駆動信号の供給を停止すると、前記張力Ｔが発生するため、伸縮部材１０は外周方向に引っ張られ、凸部２２の高さ寸法が低くなる方向に変形させられる。

すなわち、電極１２，１３間に駆動信号を与えて通電（ＯＮ）／非通電（ＯＦＦ）を切り換えると、前記凸部２２の上下方向（Ｚ１−Ｚ２方向）への進退動作を制御することができる。

この際、初期状態で付与されていた弾性エネルギーが瞬間的に開放さるようにすると、より大きな駆動力および大きな変位量（ストローク）を得ることができる。また垂直方向に荷重がかかった際には弾性部材の弾性が抗力となるため、十分な耐荷重を得ることが可能となる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図６は本発明の第２の実施の形態を示す電歪アクチュエータの斜視図、図７は第２の実施の形態の電歪アクチュエータの動作を示しており、（Ａ）は初期状態を示す電歪アクチュエータの断面図、（Ｂ）は動作状態を示す電歪アクチュエータの断面図である。

図６に示す電歪アクチュエータモジュール（以下、単に「電歪アクチュエータ」という）１Ｂは、全体として帯状のアクチュエータであり、長手（Ｙ）方向に延びる伸縮部材（電歪アクチュエータ素子）４１，４２および弾性変形部材５０を有している。

伸縮部材（電歪アクチュエータ素子）４１，４２の断面構造は、上記第１の実施の形態同様の三層構造である。すなわち伸縮性および絶縁性を有する基材の両面に一対の伸縮性を備えた電極が接合されている。このため、伸縮部材４１，４２は板厚（Ｚ）方向および板厚方向と直交する長手（Ｙ）方向に弾性変形することが可能とされている。

弾性変形部材５０は、薄い長板状の板ばねの中心部を断面Ｕ字形状に湾曲させて形成した凸部５２が形成されており。前記凸部５２の長手（Ｙ）方向の両端は基部５１ａ，５１ｂである。この弾性変形部材５０も前記伸縮部材４１，４２同様に、板厚（Ｚ）方向および板厚方向と直交する長手（Ｙ）方向に弾性変形することが可能である。なお、弾性変形部材５０の材料としては、例えばシリコーン樹脂、ＰＥＴ樹脂、アクリル樹脂およびＰＣ（ポリカーボネート）などを用いることができる。

この第２の実施の形態においても、伸縮部材（電歪アクチュエータ素子）４１，４２の一方の端部が弾性変形部材５０の基部５１ａ，５１ｂにそれぞれ接着剤を介して固定されている。

図７（Ａ）に示すように、初期状態では、伸縮部材４１をＹ１方向に、伸縮部材４２をＹ２方向にそれぞれ引っ張られており、電歪アクチュエータ１Ｂの全体に張力Ｔ，Ｔを掛けた状態で、前記伸縮部材４１，４２の両端は、一定の間隔で形成された固定部材６１と固定部材６２との間に保持固定されている（弾性エネルギーが蓄積された状態）。このため、基部５１ａ，５１ｂの対向間隔は自然長の状態から長手方向の伸ばされており、前記凸部５２はＺ２方向に圧縮（長手（Ｙ）方向には伸張）させられた状態に変形させられている。

そして、この状態から駆動信号を一対の電極間に与え、伸縮部材４１，４２を同期させて通電（ＯＮ）状態に設定すると、前記伸縮部材４１，４２が長手方向に伸びる。このため、図７（Ｂ）に示すように、前記張力Ｔ，Ｔが開放されて、前記基部５１ａ，５１ｂの間の間隔Ｌが自然長に近づく方向に狭められる。よって、弾性エネルギーが瞬間的に開放されるため、前記凸部５２をＺ１方向に突出させることができる。

さらに、前記駆動信号の供給を停止して、電歪アクチュエータ１Ｂを非通電状態に設定すると、前記張力Ｔ、Ｔが再び発生し、前記伸縮部材４１，４２が弾性変形部材５０の基部５１ａ，５１ｂの両端を長手方向に引っ張る。このため、前記凸部５２をＺ２方向に圧縮（長手（Ｙ）方向には伸張）させられた初期状態に戻すことができる（図７（Ａ）参照）。

このように、第２の実施の形態においても、一対の電極間に与える駆動信号を切り換えて通電／非通電状態の制御を行うことにより、前記凸部５２を上下方向（Ｚ１−Ｚ２方向）に進退動作するように制御することができる。

以上のように、第１および第２の実施の形態では、初期状態において、あらかじめ伸縮部材に張力を与えて弾性変形部材を変形させておき、この初期状態から張力を開放することで、弾性変形部材が元の状態に復帰させられ、このとき凸部を突出させられる。あらかじめ弾性変形部材を変形させた状態（弾性エネルギーを蓄積した状態）から開放することにより、大きな変位量または駆動力を取り出すことが可能となる。

また簡単な構成で済むことから、製造コストを削減することができる。しかも、収縮部材に対する弾性変形部材２０、５０の取り付けの向きを変えることにより、変位する方向および駆動力の発生する方向を定めることができる。

なお、上記第２の実施の形態では、一対の伸縮部材４１，４２を用いた場合について説明したが、前記伸縮部材は一対でなくてもよく、いずれか一方のみ有する構成あってもよい。例えば、弾性変形部材５０の基部５１ａと伸縮部材４１とが接続される構成の場合には、伸縮部材を有しない側の弾性変形部材５０の基部５１ｂと伸縮部材４１の一端（Ｙ１側の端部）とを、対向する位置に設けられる図示しない固定部に張力を与えた状態でそれぞれ固定することにより、上記第２の実施の形態と同様の動作をさせることが可能である。しかも、伸縮部材は一つしかないため、駆動信号を一対の伸縮部材４１，４２に同期させて与える必要がない。よって、電極までの配線パターン（図示せず）を簡単にできる。

また上記第２の実施の形態では、弾性変形部材５０が上（Ｚ１）方向に突出する一の凸部５２を有する構成を示して説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、座屈現象を利用したものであってもよい。例えば、張力Ｔを与えると、上下に連続する断面正弦波状（蛇腹状）の２以上の凸部５２が形成され、張力Ｔを開放すると、一つの大きな凸部５２が現れるようなものであってもよい。

本発明の第１の実施の形態を示す電歪アクチュエータの斜視図、 図１の２−２線における矢視断面図、 伸縮部材に張力を与えて固定部材に保持した初期状態を示す電歪アクチュエータの断面図、 駆動信号を与えた動作状態を示す電歪アクチュエータの断面図、 （Ａ）は伸縮部材と弾性変形部材の接続部分の一例を拡大して示す断面図、（Ｂ）は他の一例を拡大して示す断面図、 本発明の第２の実施の形態を示す電歪アクチュエータの斜視図、 第２の実施の形態の電歪アクチュエータの動作を示しており、（Ａ）は初期状態を示す電歪アクチュエータの断面図、（Ｂ）は動作状態を示す電歪アクチュエータの断面図、

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 電歪アクチュエータモジュール
１０ 伸縮部材（電歪アクチュエータ素子）
１０Ａ 貫通穴
１１ 基材
１２，１３ 電極
２０ 弾性変形部材
２１ 基部
２２ 凸部
３０ 固定部材
４１，４２ 伸縮部材（電歪アクチュエータ素子）
５０ 弾性変形部材
５１ａ，５１ｂ 基部
５２ 凸部
６１，６２ 固定部材
Ｔ 張力

Claims (7)

1. 駆動信号に応じて板厚方向およびこれと直交する方向に変形することが可能な伸縮部材と、
   前記伸縮部材の一方の端部と接続され、前記伸縮部材の板厚方向と直交する方向への力に応じて前記伸縮部材の板厚方向に変形可能な弾性変形部材と、
   前記伸縮部材の他方の端部を固定する固定部材とを備え、
   前記伸縮部材には、前記板厚方向と直交する方向の張力が与えられており、この張力によって前記弾性変形部材に変形が与えられた状態で、前記伸縮部材の他方の端部が前記固定部材に固定されていることを特徴とする電歪アクチュエータ。
2. 前記伸縮部材が貫通穴を有する形状とされ、前記一方の端部が前記伸縮部材に形成された貫通穴の内縁とされ、前記他方の端部が前記伸縮部材の外周とされており、前記弾性変形部材は皿状の板ばねで形成され、前記伸縮部材の前記一方の端部に前記皿状の板ばねの外縁である端部が固定されている請求項１記載の電歪アクチュエータ。
3. 前記弾性変形部材が、長板状の部材に凸部が形成された板ばねであり、前記板ばねの少なくとも一方の端部に前記伸縮部材の端部が固定されている請求項１記載の電歪アクチュエータ。
4. 前記伸縮部材は、伸縮性および絶縁性を有する基材と、伸縮性を有する一対の電極とを有し、前記基材の両面に前記電極がそれぞれ接合されたものである請求項１に記載の電歪アクチュエータ。
5. 前記板ばねの端部が、前記電極に固定されている請求項４記載の電歪アクチュエータ。
6. 前記板ばねの端部が、前記基材に固定されている請求項４記載の電歪アクチュエータ。
7. 前記基材の一方の面に接合された一方の電極と、前記基材の他方の面に接合された他方の電極との間に所定の電圧をかけて駆動される請求項４記載の電歪アクチュエータ。

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