JP5589702B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関する。

従来より、誘電ゴム層（誘電エラストマー層）と導電ゴム層とが設けられた円筒状の可動部を備え、導電ゴム層に対する電圧印可を通じて誘電エラストマー層を伸長させることにより、上記円筒状の可動部がその中心線方向に伸長するアクチュエータが知られている（特許文献１参照）。こうしたアクチュエータにおいては、導電ゴム層に対する電圧印可により上述したように可動部がその中心線方向について伸長する一方、導電ゴム層に対する電圧印可を解除することにより上記伸長した状態の可動部がその中心線方向について収縮する。そして、上記アクチュエータに関しては、上記可動部におけるその中心線方向についての伸縮を利用して、同アクチュエータの操作対象を例えば押し付け方向に操作するために用いられることとなる。

ところで、アクチュエータによる操作対象の操作としては、上述した押し付け方向への操作だけでなく、同操作対象を引っ張り方向にも操作したい要求がある。こうした要求に対応するため、例えば次のようにアクチュエータを作動させることが考えられる。すなわち、アクチュエータの誘電ゴム層に対し常に電圧印可を行って可動部を伸長状態としておく一方、上記操作対象を引っ張り方向に操作する必要のあるときには導電ゴム層に対する電圧印可の解除を行って可動部を上記伸長状態から収縮させる。このようにアクチュエータを作動させることで、操作対象を引っ張り方向に操作することが可能になる。

特開２００９−１２４８３９公報（段落［０００３］、［００２５］〜［００２９］、図４）

上述したようにアクチュエータを動作させて同アクチュエータの操作対象を引っ張り方向に操作する場合、その引っ張り方向への操作を行うときのみ導電ゴム層に対する電圧印可が解除されることになり、その状況以外では常に導電ゴム層に対する電圧印可を行わなければならないことから、アクチュエータの消費電力が増大することは避けられない。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、消費電力を抑えつつ引っ張り方向への操作を実現することのできるアクチュエータを提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、誘電エラストマー層と導電ゴム層とが設けられた円筒状の可動部を備え、前記導電ゴム層に対する電圧印可を通じて前記誘電エラストマー層を伸長させることにより前記円筒状の可動部がその中心線方向に伸長するアクチュエータにおいて、前記円筒状の可動部の中心線方向に延びるとともに可撓性を有する操作部材を備え、前記円筒状の可動部は、その中心線方向の一端が基準端とされるとともに同基準端と逆側の端が可動端とされており、前記操作部材は、前記円筒状の可動部を貫通しており、且つ、前記可動部の可動端に対応する部分が同可動端に固定されるとともに、前記可動部の基準端側の部分が操作対象に対し接続可能となっていることを要旨とする。

上記構成によれば、アクチュエータにおける円筒状の可動部の基準端を固定した状態で、導電ゴム層に対する電圧印可を通じて上記可動部をその中心線方向に伸長させると、その可動部の可動端が基準端に対し離間する方向に上記中心線に沿って変位する。これにより、同可動端に固定された操作部材も、基準端から離間する方向、すなわち基準端から可動端に向かう方向に変位する。その結果、操作部材における可動部の基準端側の部分、言い換えれば操作対象に接続される部分が、同操作対象を引っ張り方向に操作することとなる。一方、電圧印可された状態にある導電ゴム層に対し同電圧印可を解除すると、誘電エラストマー層が収縮して上記可動部がその中心線方向に収縮する。これにより、可動部の可動端が基準端に対し接近する方向に上記中心線に沿って変位するとともに、同可動端に固定された操作部材も基準端に接近する方向、すなわち可動端から基準端に向かう方向に変位する。その結果、操作部材における可動部の基準端側の部分（操作対象に接続される部分）の操作対象に対する引っ張り方向への操作が解除される。また、上述したようにアクチュエータを動作させて同アクチュエータの操作対象を引っ張り方向に操作する場合、その引っ張り方向への操作を行うときのみ導電ゴム層に対する電圧印可が行われることになり、その状況以外では常に導電ゴム層に対する電圧印可が解除された状態となることから、アクチュエータの消費電力が低く抑えられるようになる。従って、アクチュエータの消費電力を低く抑えつつ、同アクチュエータの操作対象における引っ張り方向への操作を実現することができる。

また、操作部材は可撓性を有しているため、同操作部材の伸びる方向を自由に変えることができる。従って、アクチュエータにおける円筒状の可動部の基準端を固定した状態で同可動部をその中心線方向に伸長させるとき、それに伴う操作部材の引っ張りの方向を同操作部材の曲げによって変化させることができる。このため、操作部材の引っ張り方向に関する自由度が高くなる。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記円筒状の可動部の径方向についての変位を規制する規制部を更に備えることを要旨とする。
上記構成によれば、アクチュエータは、円筒状の可動部の径方向についての変位を規制する規制部を備えているため、同可動部の導電ゴム層に対する電圧印可を行ったとき、可動部の径方向についての変位が規制される分、同可動部におけるその中心線方向に沿った伸長方向への変位を効率よく行うことができる。

請求項３記載の発明では、請求項２記載の発明において、前記円筒状の可動部の外周面に設けられて前記規制部として機能するカバーを備えることを要旨とする。
上記構成によれば、導電ゴム層に対する電圧印可を行ったとき、円筒状の可動部が径方向について変位しようとすると、その変位が可動部の外周面に設けられたカバーによって規制される。

請求項４記載の発明では、請求項２記載の発明において、前記操作部材は、前記円筒状の可動部を貫通して前記規制部として機能する棒と、その棒における前記可動部の基準端側に接続された可撓性を有する部材とを備えることを要旨とする。

上記構成によれば、導電ゴム層に対する電圧印可を行ったとき、円筒状の可動部が径方向について変位しようとすると、その変位が可動部を貫通する操作部材のうちの棒の部分によって規制される。

本発明によれば、消費電力を抑えつつ引っ張り方向への操作を実現することができるようになる。

（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態のアクチュエータの通常状態、同アクチュエータを通常状態から伸ばした状態、及びアクチュエータを構成するシート体の構造を概念的に示した略図。 同アクチュエータの詳細な構造を示す断面図。 第２実施形態のアクチュエータの詳細な構造を示す断面図。

［第１実施形態］
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図１及び図２に従って説明する。
図１（ａ）に示されるアクチュエータは、渦巻き状に巻かれて円筒状とされた可動部としてのシート体１をその中心線方向に伸縮させることで作動するものである。なお、図１において、（ａ）はアクチュエータの通常状態である円筒状のシート体１を縮めた状態を示し、（ｂ）はアクチュエータのシート体１を上記通常状態から伸ばした状態を示している。

図１（ａ）に示されるように、円筒状とされたシート体１の内部にはコイルスプリング２が配置されるとともに、同シート体１の中心線方向両端部の内周面にはそれぞれパイプ３，４が固定され、上記コイルスプリング２の弾性力によりパイプ３，４が互いに離れる方向に付勢されている。従って、アクチュエータにおける円筒状のシート体１は、その中心線方向（図中の上下方向）に伸びるようコイルスプリング２の弾性力によって付勢されていることになる。このように円筒状のシート体１をその中心線方向に付勢するのは、アクチュエータを作動させて同シート体１をその中心線方向に伸ばす際にシート体１が上記中心線方向と直交する方向に膨張することを極力抑え、同中心線方向へのシート体１の変位量（作動量）を可能な限り大きくするためである。

図１（ｃ）は、上記円筒状のシート体１を展開した状態を概念的に示したものである。このシート体１は、複数の誘電ゴム層（誘電エラストマー層）５と複数の導電ゴム層６（６ａ，６ｂ）とを厚さ方向（矢印Ｙ１方向）に交互に重ね合わせることによって形成されている。導電ゴム層６は汎用ゴム等によって形成されており、誘電エラストマー層５は架橋点の動く高分子化合物（高分子ゲル等）によって、より詳しくはポリロタキサン等によって形成されている。また、誘電エラストマー層５を挟んだ状態の導電ゴム層６ａ，６ｂのうち、導電ゴム層６ａは電源８の陽極に接続されており、導電ゴム層６ｂは電源８の陰極に接続されている。そして、導電ゴム層６ａ，６ｂに対する電圧印可を行うと、誘電エラストマー層５は、厚さ方向（矢印Ｙ１方向）に縮むとともに、その厚さ方向と直交する方向（矢印Ｙ２方向や矢印Ｙ３方向）に伸びる。また、導電ゴム層６ａ，６ｂに対する上記電圧印可を解除すると、誘電エラストマー層５は、その弾性により同層５の厚さ方向への縮み及び同厚さ方向と直交する方向についての伸びが解除される。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように渦巻き状に巻いて円筒状とされたシート体１においては、導電ゴム層６ａ，６ｂ（図１（ｃ））に対する電圧印可及び同電圧印可の解除を通じて上述したようにシート体１を伸縮させることにより、円筒状のシート体１の中心線方向に伸縮するようになる。すなわち、導電ゴム層６ａ，６ｂに対する電圧の印可により円筒状のシート体１が図１（ｂ）に示されるように上記中心線方向に伸び、導電ゴム層６ａ，６ｂに対する電圧の印可を解除することにより円筒状のシート体１が図１（ｂ）に示される状態から図１（ａ）に示される状態へと上記中心線方向に縮む。

ところで、上記アクチュエータに関しては、円筒状のシート体１におけるその中心線方向についての伸縮を利用して、同アクチュエータの操作対象（相手部材）を押し付け方向に操作するためだけでなく、同操作対象を引っ張り方向に操作したい要求もある。こうした要求に対応するためのアクチュエータの構造について、図２を参照して詳しく説明する。

同図に示されるアクチュエータにおいては、その円筒状のシート体１の外周面に、同シート体１の径方向についての変位を規制する規制部として機能する円筒状のカバー１１が装着されている。円筒状のシート体１においては、その中心線方向（図中上下方向）の一端（この例では上端）が基準端１ａとされるとともに、同基準端１ａと逆側の端（この例では下端）が可動端１ｂとされている。そして、シート体１の基準端１ａに固定された上記パイプ３にはアジャスタ１２が固定されており、シート体１の可動端１ｂに固定された上記パイプ４にはアジャスタ１３が固定されている。これらアジャスタ１２，１３は、パイプ３，４に対する固定位置を、円筒状のシート体１の中心線方向について可変とすることが可能となっている。また、基準端１ａ側のアジャスタ１２における上端には、自由に湾曲させることの可能なフレキシブルチューブ１４が取り付けられている。

アクチュエータは、円筒状のシート体１の中心線方向に延びて同シート体１を貫通する操作部材としてのワイヤ１５を備えている。このワイヤ１５は可撓性を有している。また、ワイヤ１５は、上述したようにシート体１を貫通するだけでなく、フレキシブルチューブ１４、パイプ３，４、アジャスタ１２，１３、及びコイルスプリング２も貫通している。そして、ワイヤ１５におけるシート体１の上記可動端１ｂに対応する端部（図中下端）には、可動端１ｂ側のアジャスタ１３の下端に対しシート体１側に変位しないよう係止される第１球体１６が形成されている。また、ワイヤ１５におけるシート体１の上記基準端１ａ側の端部（図中上端）には、アクチュエータの操作対象（相手部材）に接続可能な第２球体１７が形成されている。

次に、上記アクチュエータにより操作対象を引っ張り方向に操作する際の同アクチュエータの動作について詳しく説明する。
上記操作を行う場合、まず円筒状のシート体１における基準端１ａ側のアジャスタ１２が固定された状態、言い換えれば上記シート体１の基準端１ａが固定された状態とされる。

この状態で、導電ゴム層６ａ，６ｂ（図１）に対する電圧印可を通じて円筒状のシート体１をその中心線方向に伸長させると、そのシート体１の可動端１ｂが基準端１ａに対し離間する方向（図中下方向）に上記中心線に沿って変位する。これにより、同可動端１ｂに固定（係止）される第１球体１６を有するワイヤ１５も、基準端１ａから離間する方向、すなわち基準端１ａから可動端１ｂに向かう方向に変位する。その結果、ワイヤ１５における操作対象に接続される部分である第２球体１７が、同操作対象を引っ張り方向に操作することとなる。

一方、電圧印可された状態にある導電ゴム層６ａ，６ｂに対し同電圧印可を解除すると、誘電エラストマー層５が収縮して円筒状のシート体１がその中心線方向に収縮する。これにより、シート体１の可動端１ｂが基準端１ａに対し接近する方向に上記中心線に沿って変位するとともに、同可動端１ｂに固定（係止）される第１球体１６（ワイヤ１５）も基準端１ａに接近する方向、すなわち可動端１ｂから基準端１ａに向かう方向に変位する。その結果、ワイヤ１５における第２球体１７の操作対象に対する引っ張り方向への操作が解除される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）アクチュエータを動作させて同アクチュエータの操作対象を引っ張り方向に操作する場合、その引っ張り方向への操作を行うときのみ導電ゴム層６ａ，６ｂに対する電圧印可が行われることになり、その状況以外では常に導電ゴム層６ａ，６ｂに対する電圧印可が解除された状態となる。このことから、アクチュエータの消費電力が低く抑えられるようになる。従って、アクチュエータの消費電力を低く抑えつつ、同アクチュエータの操作対象における引っ張り方向への操作を実現することができる。

（２）アクチュエータの操作対象を引っ張り方向に操作するためのワイヤ１５は可撓性を有しており、且つ同ワイヤ１５が貫通するフレキシブルチューブ１４は自由に湾曲させることができるため、ワイヤ１５の伸びる方向を自由に変えることができる。従って、アクチュエータにおける円筒状のシート体１の基準端１ａを固定した状態で同シート体１をその中心線方向に伸長させるとき、それに伴うワイヤ１５の引っ張りの方向を同ワイヤ１５及びフレキシブルチューブ１４の曲げによって変化させることができる。このため、ワイヤ１５の引っ張り方向に関する自由度が高くなる。

（３）アクチュエータは、円筒状のシート体１の径方向についての変位を規制する規制部として、同シート体１の外周面に装着された円筒状のカバー１１を備えている。このため、同シート体１の導電ゴム層６ａ，６ｂに対する電圧印可を行ったとき、シート体１の径方向についての変位が上記カバー１１によって規制される分、同シート体１におけるその中心線方向に沿った伸長方向への変位を効率よく行うことができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を図３に基づき説明する。
図３に示されるように、本実施形態のアクチュエータに関しては、円筒状のシート体１の伸長を同アクチュエータの操作対象の引っ張り操作に変換する部分の構造が第１実施形態のものと異なっている。以下、上記アクチュエータにおける第１実施形態のものと異なる部分について詳しく説明する。

同アクチュエータにおいては、円筒状のシート体１を棒２１が貫通している。この棒２１は、シート体１を貫通するだけでなく、パイプ３，４及びコイルスプリング２も貫通している。円筒状のシート体１の基準端１ａに固定されたパイプ３には、アジャスタ取り付け用の取付具２２が固定されている。この取付具２２にはアジャスタ１２が固定されている。そして、上記アジャスタ１２の上端にはフレキシブルチューブ１４が取り付けられている。

円筒状のシート体１を貫通する上記棒２１の可動端１ｂ側の端（図中下端）には、シート体１（正確にはその可動端１ｂ）に固定されたパイプ４の下端に対し同シート体１側に変位しないように係止される係止具２３が固定されている。一方、棒２１の基準端１ａ側の端（図中上端）には、可撓性を有する部材（ワイヤ）２４が接続されている。このワイヤ２４は、上記アジャスタ１２及び上記フレキシブルチューブ１４を貫通している。また、ワイヤ２４における上記基準端１ａ側の端部（図中上端）には、アクチュエータの操作対象に接続可能な球体２５が形成されている。

なお、上記棒２１及び上記ワイヤ２４は、アクチュエータの操作対象を引っ張り方向に操作するための操作部材として機能する。また、上記棒２１は円筒状のシート体１の径方向についての変位を規制する規制部としても機能する。このため、本実施形態においては、第１実施形態のようなカバー１１（図２）を設ける必要はない。

本実施形態によれば、第１実施形態における（１）及び（２）の効果に加え、以下に示す効果が得られる。
（４）導電ゴム層６ａ，６ｂに対する電圧印可を行ったとき、円筒状のシート体１が径方向について変位しようとすると、その変位が同シート体１を貫通する棒２１によって規制される。このようにシート体１の径方向についての変位が上記カバー１１によって規制される分、導電ゴム層６ａ，６ｂに対する電圧印可を行ったときのシート体１におけるその中心線方向に沿った伸長方向への変位を効率よく行うことができる。

［その他の実施形態］
なお、上記各実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・第２実施形態において、ワイヤ２４等を省略して棒２１のみによりアクチュエータの操作対象を引っ張り操作するようにしてもよい。

・第１実施形態において、カバー１１に関しては必ずしも設ける必要はない。

１…シート体、２…コイルスプリング、３，４…パイプ、５…誘電エラストマー層、６，６ａ，６ｂ…導電ゴム層、８…電源、１１…カバー、１２，１３…アジャスタ、１４…フレキシブルチューブ、１５…ワイヤ、１６…第１球体、１７…第２球体、２１…棒、２２…取付具、２３…係止具、２４…ワイヤ、２５…球体。

Claims (4)

1. 誘電エラストマー層と導電ゴム層とが設けられた円筒状の可動部を備え、前記導電ゴム層に対する電圧印可を通じて前記誘電エラストマー層を伸長させることにより前記円筒状の可動部がその中心線方向に伸長するアクチュエータにおいて、
   前記円筒状の可動部の中心線方向に延びるとともに可撓性を有する操作部材を備え、
   前記円筒状の可動部は、その中心線方向の一端が基準端とされるとともに同基準端と逆側の端が可動端とされており、
   前記操作部材は、前記円筒状の可動部を貫通しており、且つ、前記可動部の可動端に対応する部分が同可動端に固定されるとともに、前記可動部の基準端側の部分が操作対象に対し接続可能となっている
   ことを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記円筒状の可動部の径方向についての変位を規制する規制部を更に備える請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記円筒状の可動部の外周面に設けられて前記規制部として機能するカバーを備える請求項２記載のアクチュエータ。
4. 前記操作部材は、前記円筒状の可動部を貫通して前記規制部として機能する棒と、その棒における前記可動部の基準端側に接続された可撓性を有する部材とを備える請求項２記載のアクチュエータ。

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