JP5186158B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、印加電圧を変化させ伸縮隔膜を伸縮させることにより相手側部材を駆動させるアクチュエータに関する。

産業用、介護用等のロボット、医療機器、マイクロマシン等の分野では、柔軟性が高く、小型で軽量なアクチュエータの必要性が高まっている。例えば、可動部が直線運動するアクチュエータとして、磁界の変化による磁性体の伸縮を利用した磁歪式アクチュエータや、電磁力により可動部を作動させる電磁式アクチュエータ等が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平５−２８３７６２号公報 特開２００５−３９１４７号公報 特表２００３−５０６８５８号公報（［図２Ｈ］）

例えば、アクチュエータの変位量を大きくしたい場合、特許文献１に記載された磁歪式アクチュエータによると、磁性体の長さを変位方向に長くする必要がある。同様に、特許文献２に記載された電磁式アクチュエータによると、磁気力が生じるコア部と可動部とのスペースが変位方向に長くなる。このように、いずれのアクチュエータにおいても、変位方向の長さを長くする必要がある。このため、アクチュエータの大型化を回避しつつ、アクチュエータの変位量を大きくするのは困難である。

この点、特許文献３には、印加電圧の変化によるポリマの伸縮を利用した電歪式アクチュエータが紹介されている。すなわち、同文献の［図２Ｈ］には、ダイヤフラムと出力シャフトとを備えるアクチュエータが開示されている。ここで、ダイヤフラムは、電気活性ポリマ製である。ダイヤフラムは、フレームに開設された円形の穴を覆って固定されている。出力シャフトは、当該ダイヤフラムの中央部分（フレームの穴の中央部分でもある）に取り付けられている（段落［００６７］）。

印加電圧を大きくすると、その分ダイヤフラムの伸縮量が大きくなる。このため、同文献［図２Ｈ］に開示されたアクチュエータによると、印加電圧を大きくすることで、出力シャフトの変位量を大きくすることができる。したがって、アクチュエータの大型化を回避しつつ、アクチュエータの変位量を大きくすることができる。

しかしながら、同文献［図２Ｈ］に開示されたアクチュエータによると、バネ要素が出力シャフトに径方向片側からのみ当接している。このため、ダイヤフラムの撓み方向が決まりにくい。言い換えると、出力シャフトの移動方向が決まりにくい。詳しく説明すると、電圧印加前においては、フレームの穴の開口面積と、ダイヤフラムにおいて当該穴を覆っている部分（以下、「被覆部分」と称す）の表面積と、は一致している。電圧を印加すると、ダイヤフラムは径方向に伸張する。このため、穴の開口面積に対して、被覆部分の表面積が大きくなる。ところが、ダイヤフラムにおいて被覆部分以外はフレームに固定されている。このため、ダイヤフラムの伸張分は、穴の外径方向に逃げることができず、穴の内径側で軸方向（上方あるいは下方）にあたかも膨出するように、撓むことになる。

ここで、軸方向が上下方向と一致している場合、ダイヤフラムあるいは出力シャフトの自重により、ダイヤフラムの撓み方向は下方になる（ただし、ダイヤフラムの撓み方向を上方にすることはできない）。しかしながら、例えば軸方向が水平方向と一致している場合、ダイヤフラムの撓み方向を決めることは困難である。このため、同文献［図２Ｈ］に開示されたアクチュエータは、動作信頼性が低い。また、同文献［図２Ｈ］に開示されたアクチュエータによると、出力シャフトが、ダイヤフラムの変形のみにより駆動されている。このため、印加電圧に対する動作応答性が低い。

本発明のアクチュエータは、このような実情に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、大型化を回避しつつ、変位量を大きくすることができるアクチュエータ、言い換えると小型であるにもかかわらず、所定の変位量を確保することができるアクチュエータを提供することを課題とする。並びに、動作信頼性が高く、かつ動作応答性が高いアクチュエータを提供することを課題とする。

（１）上記課題を解決するため、本発明のアクチュエータは、ハウジングと、該ハウジングの内部を仕切るよう該ハウジングに周縁が固定され、印加電圧が大きくなるに従って伸張量が大きくなる誘電体エラストマー製の伸縮隔膜と、該伸縮隔膜を介して配置されている複数の電極と、を有するアクチュエータ素子と、該ハウジングに対して没入方向および突出方向に往復動可能であって相手側部材に接続されると共に、該ハウジングの内部に収容され該伸縮隔膜の一面に接続される内端を有するロッドと、該伸縮隔膜を、直接あるいは間接的に、該没入方向に付勢する弾性部材と、を備え、複数の該電極間への印加電圧を大きくし、該伸縮隔膜を伸張させることにより、該弾性部材の付勢力に従って、該ロッドを該没入方向に移動させ、複数の該電極間への印加電圧を小さくし、該伸縮隔膜を収縮させることにより、該弾性部材の付勢力に抗して、該ロッドを該突出方向に移動させると共に、該ロッドの往復動方向断面における、該伸縮隔膜の該周縁を結ぶ線に対する、印加電圧が最小の状態の該伸縮隔膜の傾斜角度は、４５°以上に設定されていることを特徴とする（請求項１に対応）。

ここで、「印加電圧を大きく」するとは、作動前の印加電圧（０Ｖは勿論、０Ｖ以外の所定の電圧でもよい）に対して作動後の印加電圧を大きくすることをいう。同様に、「印加電圧を小さく」するとは、作動前の印加電圧に対して作動後の印加電圧（０Ｖは勿論、０Ｖ以外の所定の電圧でもよい）を小さくすることをいう。

複数の電極間への印加電圧を大きくすると、複数の電極間の静電引力も大きくなる。このため、伸縮隔膜が膜厚方向から圧縮され、伸縮隔膜の膜厚は薄くなる。膜厚が薄くなると、その分、伸縮隔膜は、電極面に対して平行方向に伸張しようとする。しかしながら、伸縮隔膜は、ハウジングの内部を仕切るように、ハウジングに固定されている。このため、伸縮隔膜が伸張しても、伸張分はハウジング外部に逃げることができない。したがって、伸縮隔膜は、ハウジングの内部において撓んでいく。ここで、伸縮隔膜は、弾性部材により、没入方向に付勢されている。言い換えると、伸縮隔膜の撓み方向は、弾性部材により、突出方向および没入方向のうち、没入方向に決定されている。このため、伸縮隔膜は没入方向に指向的に撓む。この際、弾性部材の付勢力は、伸縮隔膜の撓み変形を補助する。したがって、伸縮隔膜は、迅速に撓み変形する。伸縮隔膜が没入方向に撓むことにより、ロッドは没入方向に移動する。つまり、駆動対象物である相手側部材を、没入方向に移動させることができる。

これに対して、複数の電極間への印加電圧を小さくすると、複数の電極間の静電引力も小さくなる。このため、伸縮隔膜に対する膜厚方向からの圧縮力が小さくなり、伸縮隔膜の弾性復元力により伸縮隔膜の膜厚は厚くなる。膜厚が厚くなると、その分、伸縮隔膜は、電極面に対して平行方向に収縮しようとする。このため、伸縮隔膜の没入方向の撓み量が、弾性部材の没入方向への付勢力に抗して、小さくなる。したがって、ロッドは突出方向に移動する。つまり、相手側部材を、突出方向に移動させることができる。

本発明のアクチュエータによると、作動前の印加電圧と作動後の印加電圧との電圧差を大きくすることで、ロッド、ひいては相手側部材の移動量を大きくすることができる。このため、アクチュエータの大型化を回避しつつ、アクチュエータの変位量を大きくすることができる。あるいは、小型であるにもかかわらず、所定の変位量を確保することができる。また、本発明のアクチュエータによると、アクチュエータ素子は、伸縮隔膜と電極とから簡単に構成することができる。したがって、伸縮隔膜や電極の数、配置等を変化させることにより、アクチュエータの出力や変位量等を容易に調整することができる。

また、従来のアクチュエータは、印加電圧を大きくすると可動部が突出する方向に移動して、伸張動作を行う（前出特許文献１、２参照）。これに対して、本発明のアクチュエータでは、印加電圧を大きくし、伸縮隔膜を伸張させて撓ませると、撓んだ分だけロッドは没入方向に移動する。これより、ロッドに連結されている相手側部材も没入方向に移動する。つまり、本発明のアクチュエータは、印加電圧が大きくなるに従って収縮動作を行う。したがって、本発明のアクチュエータは、物を持ち上げる動作を必要とするアクチュエータ（例えば、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉（例えば上腕二頭筋））等に用いると好適である。

また、本発明のアクチュエータによると、伸縮隔膜の撓み方向が、予め弾性部材の付勢力により、没入方向に決定されている。このため、アクチュエータの姿勢によらず、安定してアクチュエータを動かすことができる。すなわち、本発明のアクチュエータは動作信頼性が高い。また、本発明のアクチュエータによると、弾性部材の付勢力が、伸縮隔膜の没入方向への撓み変形を補助している。このため、ロッドを迅速に没入方向に移動させることができる。すなわち、迅速な収縮動作を行うことができる。

また、本発明のアクチュエータによると、ロッドの往復動方向断面における、伸縮隔膜の周縁を結ぶ線に対する、印加電圧が最小の状態の伸縮隔膜の傾斜角度は、４５°以上に設定されている。このため、伸縮隔膜の伸縮方向（膜展開方向）と、往復動方向（ロッドのストローク方向）と、が４５°未満の角度で交差することになる。したがって、駆動力の損失が少ない。また、ロッドのストロークを大きくすることができる。

（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記弾性部材は、ばね部材である構成とするとよい（請求項２に対応）。本構成によると、伸縮隔膜に対する付勢力を、所望の荷重値に設定しやすい。

（３）好ましくは、上記（２）の構成において、前記ばね部材は、前記ロッドに環装されるコイルスプリングである構成とするとよい（請求項３に対応）。本構成によると、ロッド周方向における付勢力のばらつきを小さくすることができる。また、コイルスプリングを用いると、所定の方向に、指向的に弾性力を加えることができる。このため、ロッドの軸方向と弾性力の方向とを、一致させやすい。したがって、コイルスプリングに蓄積された弾性力を、効率良く付勢力として用いることができる。

（４）好ましくは、上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、前記アクチュエータ素子は、複数の前記伸縮隔膜が前記電極を介して積層されてなる構成とするとよい（請求項４に対応）。

本構成では、アクチュエータ素子を、複数の伸縮隔膜と電極とを交互に積層させた積層構造とする。伸縮隔膜が積層された分だけ、より大きな力を発生させることができる。したがって、アクチュエータの出力が大きくなり、相手側部材をより大きな力で駆動させることができる。

（５）好ましくは、上記（１）ないし（４）のいずれかの構成において、複数の前記電極は、前記伸縮隔膜の伸縮に応じて伸縮可能である構成とするとよい（請求項５に対応）。

電極が伸縮隔膜と共に伸縮しにくいと、電極により伸縮隔膜の変形が妨げられ、所望の変位量を得にくくなる。これに対して、本構成によると、電極は伸縮隔膜の伸縮に応じて伸縮可能である。つまり、電極は伸縮隔膜と一体となって変形することができる。このため、所望の変位量をより得やすくなる。

また、アクチュエータの出力は、伸縮隔膜の伸縮力および弾性部材の付勢力により得られる。電極が伸縮隔膜と共に伸縮しにくいと、電極を強制的に伸縮させるのに、伸縮隔膜の伸縮力および弾性部材の付勢力の一部が、消費されてしまう。このため、消費分だけ、出力が低下してしまう。これに対して、本構成によると、電極は伸縮隔膜の伸縮に応じて伸縮可能である。つまり、電極は伸縮隔膜と一体となって変形することができる。このため、出力の低下を抑制することができる。

（６）好ましくは、上記（１）ないし（５）のいずれかの構成において、前記誘電体エラストマーは、アクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、ニトリル系ゴム、水素添加ニトリル系ゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合ゴム、エチレン・プロピレンゴム、天然ゴムから選ばれる一種以上である構成とするとよい（請求項６に対応）。

誘電体エラストマーは、電極間の静電引力に応じて変形するものであれば、その種類が特に限定されるものではない。本構成におけるアクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、ニトリル系ゴム、水素添加ニトリル系ゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合ゴム、エチレン・プロピレンゴム、天然ゴムは、いずれも誘電性、絶縁破壊性が高いため好適である。

（７）好ましくは、上記（１）ないし（６）のいずれかの構成において、前記伸縮隔膜は、拡径方向に延伸された状態で前記ハウジングに固定されている構成とするとよい（請求項７に対応）。

伸縮隔膜は、誘電体エラストマーからなる。誘電体エラストマーを延伸した状態で使用すると、未延伸のものと比較して、絶縁破壊強度を向上させることができる。したがって、本構成によると、伸縮隔膜に対してより大きな電圧を印加させることができ、アクチュエータの変位量をより大きくすることができる。

本構成によると、伸縮隔膜が拡径方向に延伸された状態（プリストレイン状態）でハウジングに固定されているため、延伸効果を充分に発揮させることができる。したがって、伸縮隔膜の絶縁破壊強度は高い。また、アクチュエータを組み立てる時に、伸縮隔膜を拡径方向に延伸して固定すればよく、アクチュエータの製造が容易である。

以下、本発明のアクチュエータの実施の形態について説明する。

＜第一実施形態＞
まず、本実施形態のアクチュエータの構成について説明する。図１に、本実施形態のアクチュエータの斜視図を示す。図２に、同アクチュエータの分解斜視図を示す。図３に、同アクチュエータにおけるアクチュエータ素子の分解斜視図を示す。図４に、同アクチュエータの軸方向断面図を示す。なお、図１、図２においては、説明の便宜上、アッパーケースを一部破断して示す。また、図４に示すのは、同アクチュエータのオフ状態、すなわち、一対の電極間に電圧が印加されていない状態の軸方向断面図である。図１〜図４に示すように、本実施形態のアクチュエータ１は、ハウジング２とアクチュエータ素子３とロッド４とコイルスプリング５とを備えている。

ハウジング２は、アッパーケース２０Ｕとロワーケース２０Ｄとを備えている。ロワーケース２０Ｄは、樹脂製であって、上方に開口する有底円筒状（カップ状）を呈している。ロワーケース２０Ｄの開口縁には、電極用凹部２００Ｄが形成されている。アッパーケース２０Ｕは、樹脂製であって、下方に開口する有底円筒状（カップ状）を呈している。アッパーケース２０Ｕは、ロワーケース２０Ｄの上方に、ちょうど伏せられた状態で配置されている。アッパーケース２０Ｕの開口縁には、電極用凹部２００Ｕが形成されている。電極用凹部２００Ｕは、ロワーケース２０Ｄの電極用凹部２００Ｄに対して、１８０°対向する位置に配置されている。また、アッパーケース２０Ｕの上底壁中央には、円形のロッド用孔２０１Ｕが穿設されている。また、アッパーケース２０Ｕの上底壁下面におけるロッド用孔２０１Ｕの外径側には、リング状のスプリング保持リブ２０２Ｕが形成されている。

アクチュエータ素子３は、伸縮隔膜３０と一対の電極３１Ｕ、３１Ｄとを備えている。アクチュエータ素子３は、一対の電極３１Ｕ、３１Ｄの一部を除いて、ハウジング２の内部に収容されている。伸縮隔膜３０は、誘電体エラストマー（アクリルゴム）製であって円板状を呈している。伸縮隔膜３０は、ロワーケース２０Ｄの開口縁と、アッパーケース２０Ｕの開口縁との間に、上下方向から挟持、固定されている。伸縮隔膜３０により、ハウジング２の内部は、上下二室に仕切られている。伸縮隔膜３０は、自然状態（無荷重状態）に対して、予め拡径方向に所定量だけ延伸された状態で、ロワーケース２０Ｄとアッパーケース２０Ｕとの間に、固定されている。

電極３１Ｕは、シリコンオイルが混合されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）製であって、伸縮隔膜３０より若干小径の円板状を呈している。電極３１Ｕは、伸縮隔膜３０の伸縮に応じて伸縮可能である。電極３１Ｕは、伸縮隔膜３０の上面（詳しくは図３中ハッチングで示す部分）に、固定されている。電極３１Ｕの外周縁には、拡径方向に突出する凸片３１０Ｕが形成されている。凸片３１０Ｕは、矩形板状を呈している。凸片３１０Ｕは、前記アッパーケース２０Ｕの電極用凹部２００Ｕに配置されている。凸片３１０Ｕの先端は、ハウジング２外部に突出している。電極３１Ｕの中央には、円形の貫通孔３１１Ｕが穿設されている。

電極３１Ｄは、上記電極３１Ｕと同様の材質からなり、同様の形状、構成を呈している。相違点は、凸片３１０Ｄが、凸片３１０Ｕに対して、１８０°対向する位置に配置されている点である。凸片３１０Ｄは、前記ロワーケース２０Ｄの電極用凹部２００Ｄに配置されている。凸片３１０Ｄの先端は、ハウジング２外部に突出している。

ロッド４は、鋼製であって上下方向に延在する丸棒状を呈している。ロッド４の上端は、駆動対象物である相手側部材に連結されている。一方、ロッド４の下部は、前記ロッド用孔２０１Ｕを介して、ハウジング２の内部に挿入されている。ロッド４の下端は、伸縮隔膜３０の上面中央に固定されている。ここで、ロッド４の「下端」は、本発明の「内端」に相当する。並びに、伸縮隔膜３０の「上面」は、本発明の「一面」に相当する。

コイルスプリング５は、鋼製であって、ロッド４に環装された状態でハウジング２の内部に収容されている。コイルスプリング５は、アッパーケース２０Ｕの上底壁下面と、伸縮隔膜３０上面と、の間に介装されている。コイルスプリング５の上端は、スプリング保持リブ２０２Ｕの内径側に配置されている。コイルスプリング５は、無荷重状態に対して、所定量だけ上下方向から圧縮された状態で配置されている。つまり、コイルスプリング５は、伸縮隔膜３０を直接的に下方向（没入方向）に付勢している。このため、図４に示すように、オフ状態においては、伸縮隔膜３０は、ロッド４の自重およびコイルスプリング５の付勢力により、下方に向かって膨らむように若干撓んでいる。伸縮隔膜３０の周縁を結ぶ線Ｌに対する、オフ状態の伸縮隔膜３０の傾斜角度θは、４５°以上に設定されている。

次に、本実施形態のアクチュエータの動きについて説明する。図５に、本実施形態のアクチュエータの軸方向断面図を示す。なお、図５に示すのは、同アクチュエータのオン状態、すなわち、一対の電極３１Ｕ、３１Ｄ間に電圧が印加されている状態の軸方向断面図である。

前出図４に示すように、オフ状態においては、電極３１Ｕ、３１Ｄ間に、電圧が印加されていない。このため、伸縮隔膜３０は、ロッド４の自重およびコイルスプリング５の付勢力により、若干下方に撓んだ状態のまま動かない。したがって、ロッド４つまり相手側部材も不動である。

オフ状態からオン状態に切り替える際は、電極３１Ｕ、３１Ｄ間に（詳しくは凸片３１０Ｕ、３１０Ｄ間に）、電圧を印加する。電圧を印加すると、電極３１Ｕ、３１Ｄ間に生じた静電引力により、伸縮隔膜３０が圧縮され、伸張する。並びに、電極３１Ｕ、３１Ｄも、伸縮隔膜３０の伸張に応じて、伸張する。しかしながら、伸縮隔膜３０の外周縁は、アッパーケース２０Ｕとロワーケース２０Ｄとの間に、挟持、固定されている。このため、伸縮隔膜３０は、径方向に拡がることができない。したがって、伸縮隔膜３０の変形方向は、上方向あるいは下方向のいずれかに規制される。ここで、前述したように、伸縮隔膜３０は、コイルスプリング５により下方（没入方向）に付勢されている。当該下方向の付勢力により、図５に示すように、伸縮隔膜３０は、下方に膨らむように撓む。このため、伸縮隔膜３０の中央部分は、オフ状態と比較して、下方に移動する。したがって、伸縮隔膜３０の中央部分に固定されているロッド４も下方（没入方向）に移動する。すなわち、相手側部材も下方に移動する。このように、オフ状態からオン状態に切り替えることで、アクチュエータ１に収縮動作を行わせることができる。

オン状態からオフ状態に切り替える際は、電極３１Ｕ、３１Ｄ間への電圧の印加を停止する。電圧の印加を停止すると、伸縮隔膜３０が、自身の復元力により、コイルスプリング５の付勢力に抗して、収縮する。このため、伸縮隔膜３０の中央部分は、上方に復動する。したがって、伸縮隔膜３０の中央部分に固定されているロッド４も上方（突出方向）に復動する。すなわち、相手側部材も上方に復動する。このように、オン状態からオフ状態に切り替えることで、アクチュエータ１に伸張動作を行わせることができる。

次に、本実施形態のアクチュエータの作用効果について説明する。本実施形態によると、印加電圧を大きくし、伸縮隔膜３０を伸張させて撓ませると、撓んだ分だけロッド４は下方（没入方向）に移動する。これより、ロッド４に連結されている相手側部材も下方に移動する。つまり、アクチュエータ１は、印加電圧が大きくなるに従って収縮動作を行う。したがって、アクチュエータ１は、物を持ち上げる動作を必要とするアクチュエータ（例えば、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉（例えば上腕二頭筋））等に用いると好適である。

また、伸縮隔膜３０は、コイルスプリング５により、下方に付勢されている。このため、印加電圧を大きくすると、伸縮隔膜３０は下方に指向的に撓む。これより、アクチュエータ１は、どのような姿勢であっても、安定して動作可能である。また、コイルスプリング５の付勢力は、伸縮隔膜３０の撓み変形を補助する。よって、伸縮隔膜３０は、迅速に撓み変形する。これより、ロッド４を迅速に下方に移動させることができる。すなわち、迅速な収縮動作を行うことができる。また、コイルスプリング５の材質、長さ、ばね定数等を調整することにより、伸縮隔膜３０に対する付勢力を、所望の荷重値に容易に設定することができる。また、コイルスプリング５は、ロッド４に環装されているため、ロッド４の周方向における付勢力のばらつきが小さい。さらに、ロッド４の軸方向とコイルスプリング５の弾性力の方向とが一致しているので、コイルスプリング５に蓄積された弾性力を、効率良く付勢力として用いることができる。

また、電極３１Ｕ、３１Ｄは、伸縮隔膜３０の略全体を被覆している。電極面積が大きいため、伸縮隔膜３０の撓み量が大きい。また、作動前の印加電圧と作動後の印加電圧との電圧差を大きくすることで、伸縮隔膜３０の撓み量を大きくし、ロッド４、ひいては相手側部材の移動量を大きくすることができる。このため、大型化を回避しつつ、アクチュエータ１の変位量を大きくすることができる。

また、伸縮隔膜３０は、絶縁破壊性の比較的高いアクリルゴム製である。よって、伸縮隔膜３０に対して大きな電圧を印加させることができ、アクチュエータ１の変位量を大きくすることができる。また、電極３１Ｕ、３１Ｄは、伸縮隔膜３０の伸縮に応じて伸縮可能である。よって、電極３１Ｕ、３１Ｄは、伸縮隔膜３０と一体となって変形することができる。このため、伸縮隔膜３０の伸縮力およびコイルスプリング５の付勢力の一部が、電極３１Ｕ、３１Ｄの伸縮のために消費されにくい。よって、アクチュエータ１の出力の低下を抑制することができる。

また、伸縮隔膜３０は、拡径方向に延伸された状態でハウジング２に固定されている。このため、延伸効果が充分に発揮され、伸縮隔膜３０の絶縁破壊強度は高い。したがって、伸縮隔膜３０に対してより大きな電圧を印加させることができ、アクチュエータ１の変位量をより大きくすることができる。また、伸縮隔膜３０は円板状を呈している。このため、拡径方向に延伸することにより、伸縮隔膜３０の面全体に均等にプリストレインを施すことができる。

また、本実施形態のアクチュエータ１によると、ロッド４の往復動方向断面における、伸縮隔膜３０の周縁を結ぶ線Ｌに対する、オフ状態の伸縮隔膜３０の傾斜角度θは、４５°以上に設定されている。このため、伸縮隔膜３０の伸縮方向（膜展開方向）と、往復動方向（ロッド４のストローク方向）と、が４５°未満の角度で交差することになる。したがって、駆動力の損失が少ない。また、ロッド４のストロークを大きくすることができる。

＜第二実施形態＞
本実施形態のアクチュエータと第一実施形態のアクチュエータとの相違点は、コイルスプリングの下端が、アクチュエータ素子ではなく、ロッドを付勢している点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。

図６に、本実施形態のアクチュエータのオフ状態における軸方向断面図を示す。なお、図４と対応する部位については同じ符号で示す。図７に、同アクチュエータのオン状態における軸方向断面図を示す。なお、図５と対応する部位については同じ符号で示す。

図６、図７に示すように、ロッド４の下端付近の外周面には、フランジ状のスプリング座４０が環装、固定されている。コイルスプリング５の下端は、当該スプリング座４０に当接している。コイルスプリング５の付勢力により、スプリング座４０つまりロッド４は、常時下方に付勢されている。このため、ロッド４の下端は、伸縮隔膜３０の上面中央部分に、常時圧接している。つまり、コイルスプリング５は、ロッド４を介して、伸縮隔膜３０を間接的に下方向（没入方向）に付勢している。伸縮隔膜３０の周縁を結ぶ線Ｌに対する、オフ状態の伸縮隔膜３０の傾斜角度θは、４５°以上に設定されている。

本実施形態のアクチュエータ１は、構成が共通する部分については、第一実施形態のアクチュエータと同様の作用効果を有する。また、本実施形態のアクチュエータ１によると、オフ状態においてもオン状態においても、ロッド４下端は、伸縮隔膜３０の中央部分に、圧接している。このため、ロッド４下端と伸縮隔膜３０とを、敢えて固定する必要がない。

また、本実施形態のアクチュエータ１によると、伸縮隔膜３０に、コイルスプリング５の下端が接触していない。このため、貫通孔３１１Ｕの孔径を、小さくすることができる。言い換えると、電極３１Ｕ、３１Ｄの配置面積を大きくすることができる。電極３１Ｕ、３１Ｄの配置面積が大きくなると、その分だけ、伸縮隔膜３０の変形領域が大きくなる。このため、アクチュエータ素子３の上下方向の変位量を大きくすることができる。

＜第三実施形態＞
本実施形態のアクチュエータと第一実施形態のアクチュエータとの相違点は、アクチュエータ素子が積層構造を呈している点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。

図８に、本実施形態のアクチュエータにおけるアクチュエータ素子の分解斜視図を示す。なお、図３に対応する部位については同じ符号で示す。図８に示すように、アクチュエータ素子３は、合計五枚の伸縮隔膜３２ａ〜３２ｅと、合計六枚の電極３３ａ〜３３ｆと、を備えている。これら五枚の伸縮隔膜３２ａ〜３２ｅおよび六枚の電極３３ａ〜３３ｆは、上下方向に積層されている。具体的には、上から下に向かって、電極３３ａ→伸縮隔膜３２ａ→電極３３ｂ→伸縮隔膜３２ｂ→電極３３ｃ→伸縮隔膜３２ｃ→電極３３ｄ→伸縮隔膜３２ｄ→電極３３ｅ→伸縮隔膜３２ｅ→電極３３ｆの順に、積層されている。

本実施形態のアクチュエータ１は、構成が共通する部分については、第一実施形態のアクチュエータと同様の作用効果を有する。また、本実施形態のアクチュエータ１によると、アクチュエータ素子３が、五層（詳しくは伸縮隔膜３２ａ〜３２ｅが五層）の積層構造を呈している。伸縮隔膜３２ａ〜３２ｅが積層された分だけ、より大きな力が発生する。したがって、アクチュエータ１の出力が大きくなり、より大きな駆動力を相手側部材に与えることができる。

＜その他＞
以上、本発明のアクチュエータの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

例えば、上記実施形態では、アクリルゴム製の伸縮隔膜を使用した。しかし、伸縮隔膜の材質は、誘電体エラストマーであれば、特に限定されるものではない。例えば、誘電性、絶縁破壊性が高いという観点から、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、ニトリル系ゴム、水素添加ニトリル系ゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合ゴム、エチレン・プロピレンゴム、天然ゴム等を用いると好適である。また、伸縮隔膜の形状、厚さも特に限定されず、アクチュエータの用途等に応じて適宜決定すればよい。例えば、アクチュエータの小型化、低電位駆動化、および変位量を大きくする等の観点からは、伸縮隔膜の厚さは薄い方が望ましい。この場合、絶縁破壊性等をも考慮して、伸縮隔膜の厚さを、１μｍ以上５００μｍ以下とするとよい。１０μｍ以上２００μｍ以下とするとより好適である。

上記実施形態では、伸縮隔膜を、拡径方向に延伸した状態でハウジングに固定した。しかし、予め延伸加工を施しておいた伸縮隔膜を、ハウジングに固定してもよい。また、伸縮隔膜を延伸せずに、自然状態でハウジングに固定してもよい。伸縮隔膜を延伸する場合、延伸率は、特に限定されるものではない。伸縮隔膜の材質、アクチュエータの変位量等を考慮して、適宜決定すればよい。例えば、所望の絶縁破壊強度の向上効果を得るためには、延伸率を１０％以上とすることが望ましい。５０％以上とするとより好適である。また、伸縮隔膜の劣化等を考慮して、延伸率を６００％以下とすることが望ましい。３００％以下とするとより好適である。延伸率は、次式（１）により算出する。
延伸率（％）＝｛√（Ｓ／Ｓ_０）−１｝×１００・・・（１）
［Ｓ_０：延伸前（自然状態）の伸縮隔膜面積、Ｓ：延伸後の伸縮隔膜面積］

上記実施形態では、シリコンオイルが混合されたＣＮＴ製の電極を使用した。しかし、電極の材質は、特に限定されるものではない。例えば、カーボンブラック等の炭素材料や金属材料など導電性を示す材料からなる電極を使用したり、シリコンオイルの代わりにエラストマーを使用することができる。また、電極の形状も、特に限定されるものではない。伸縮隔膜の形状に応じて、適宜決定すればよい。なお、上記実施形態のように、電極の一部（凸片）を端子としてもよく、電極と別体として端子を配置してもよい。

また、アクチュエータ素子の構造、すなわち、伸縮隔膜および電極の数や配置等は、特に限定されるものではない。例えば、伸縮隔膜を一層とするか、あるいは二層以上とするかなど、必要に応じて適宜選択すればよい。

上記実施形態では、弾性部材としてコイルスプリングを採用した。弾性部材としては、例えば、板ばね、皿ばね、空気ばね等の他のばね部材や、ゴム部材、弾性樹脂部材等、種々のものを用いることができる。また、上記実施形態では、ロッドに環装したコイルスプリングにより、上方から伸縮隔膜を付勢した。しかし、弾性部材による伸縮隔膜の付勢方法は、特に限定されるものではない。例えば、下方から伸縮隔膜を引張ることにより、伸縮隔膜を下方（没入方向）へ付勢してもよい。

ハウジングの形状、材質等も特に限定されない。有底円筒状の他、有底角筒状等であってもよい。また、上記実施形態では、ハウジングを上下に分割し、その各々でアクチュエータ素子を挟持、固定した。しかし、アクチュエータ素子の固定方法は、これに限定されるものではない。例えば、接着剤やボルト等により固定してもよい。また、アクチュエータの配置の仕方（姿勢）も、上記実施形態に限定されない。ロッドの移動方向が、上下方向ではなく、左右方向（水平方向）となるよう配置してもよい。ロッドの材質も特に限定されない。鋼製の他、例えば樹脂製であってもよい。

本発明のアクチュエータは、例えば、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉や、医療用器具等に有用であり、さらに、モータ等機械式アクチュエータおよび圧電素子アクチュエータ等のすべてのアクチュエータの代替として利用することができる。

本発明の第一実施形態のアクチュエータの斜視図である。 同アクチュエータの分解斜視図である。 同アクチュエータにおけるアクチュエータ素子の分解斜視図である。 同アクチュエータの軸方向断面図である（オフ状態）。 同アクチュエータの軸方向断面図である（オン状態）。 本発明の第二実施形態のアクチュエータの軸方向断面図である（オフ状態）。 同アクチュエータの軸方向断面図である（オン状態）。 本発明の第三実施形態のアクチュエータにおけるアクチュエータ素子の分解斜視図である。

符号の説明

１：アクチュエータ
２：ハウジング ２０Ｄ：ロワーケース ２０Ｕ：アッパーケース
２００Ｄ、２００Ｕ：電極用凹部 ２０１Ｕ：ロッド用孔
２０２Ｕ：スプリング保持リブ
３：アクチュエータ素子 ３０：伸縮隔膜 ３２ａ〜３２ｅ：伸縮隔膜
３１Ｄ、３１Ｕ：電極 ３３ａ〜３３ｆ：電極
３１０Ｄ、３１０Ｕ：凸片 ３１１Ｕ：貫通孔
４：ロッド ４０：スプリング座
５：コイルスプリング
θ：傾斜角度

Claims (8)

1. ハウジングと、
   該ハウジングの内部を仕切るよう該ハウジングに周縁が固定され、印加電圧が大きくなるに従って伸張量が大きくなる誘電体エラストマー製の伸縮隔膜と、該伸縮隔膜を介して配置されている複数の電極と、を有するアクチュエータ素子と、
   該ハウジングに対して没入方向および突出方向に往復動可能であって相手側部材に接続されると共に、該ハウジングの内部に収容され該伸縮隔膜の一面に接続される内端を有するロッドと、
   該伸縮隔膜を、直接あるいは間接的に、該没入方向に付勢する弾性部材と、を備え、
   該伸縮隔膜は、拡径方向に５０％以上３００％以下の延伸率で延伸された状態で該ハウジングに固定されており、
   複数の該電極間への印加電圧を大きくし、該伸縮隔膜を伸張させることにより、該弾性部材の付勢力に従って、該ロッドを該没入方向に移動させ、
   複数の該電極間への印加電圧を小さくし、該伸縮隔膜を収縮させることにより、該弾性部材の付勢力に抗して、該ロッドを該突出方向に移動させると共に、
   該ロッドの往復動方向断面における、該伸縮隔膜の該周縁を結ぶ線に対する、印加電圧が最小の状態の該伸縮隔膜の傾斜角度は、４５°以上に設定されているアクチュエータ。
2. 前記弾性部材は、ばね部材である請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記ばね部材は、前記ロッドに環装されるコイルスプリングである請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記アクチュエータ素子は、複数の前記伸縮隔膜が前記電極を介して積層されてなる請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 複数の前記電極は、前記伸縮隔膜の伸縮に応じて伸縮可能である請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 前記誘電体エラストマーは、アクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、ニトリル系ゴム、水素添加ニトリル系ゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合ゴム、エチレン・プロピレンゴム、天然ゴムから選ばれる一種以上である請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. 前記伸縮隔膜の厚さは、１μｍ以上５００μｍ以下である請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 前記弾性部材は、前記ロッドに環装されるコイルスプリングであり、
   該ロッドの前記内端付近の外周面には、フランジ状のスプリング座が環装されており、
   該コイルスプリングの一端は該スプリング座に当接し、該コイルスプリングの付勢力により、前記伸縮隔膜は該ロッドを介して没入方向に付勢される請求項３ないし請求項７のいずれかに記載のアクチュエータ。

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