JP6904356B2 - アクチュエータ、アクチュエータモジュール、内視鏡、内視鏡モジュールおよび制御方法 - Google Patents
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Description
筒状のアクチュエータ素子と、
アクチュエータ素子の内周面を支持する支持体と
を備え、
アクチュエータ素子は、誘電エラストマアクチュエータ素子であり、筒状の誘電体層と、誘電体層の内周面に設けられた第1の電極と、誘電体層の外周面に設けられた第2の電極とを備え、
アクチュエータ素子の内圧が、アクチュエータ素子の外圧よりも高い電歪型アクチュエータである。
筒状のアクチュエータ素子、およびアクチュエータ素子の内周面を支持する支持体を有する電歪型アクチュエータと、
電歪型アクチュエータの駆動を制御する制御部と、
電歪型アクチュエータの内部空間を加圧する加圧部と
を備え、
アクチュエータ素子は、誘電エラストマアクチュエータ素子であり、筒状の誘電体層と、誘電体層の内周面に設けられた第1の電極と、誘電体層の外周面に設けられた第2の電極とを備えるアクチュエータモジュールである。
アクチュエータ素子と、
アクチュエータ素子を支持する支持体と
を備え、
アクチュエータ素子は、誘電エラストマアクチュエータ素子であり、誘電体層と、誘電体層の一方の面に設けられた第1の電極と、誘電体層の他方の面に設けられた第2の電極とを備え、
電歪型アクチュエータの内圧が、電歪型アクチュエータの外圧よりも高い電歪型アクチュエータである。
電歪型アクチュエータの内部空間の圧力を検出し、
検出の結果に基づき、電歪型アクチュエータの内部空間を加圧または減圧する
ことを含み、
電歪型アクチュエータは、
アクチュエータ素子と、
アクチュエータ素子を支持する支持体と
を備え、
アクチュエータ素子は、誘電エラストマアクチュエータ素子であり、誘電体層と、誘電体層の一方の面に設けられた第1の電極と、誘電体層の他方の面に設けられた第2の電極とを備える制御方法である。
1 第1の実施形態(アクチュエータの例)
2 第2の実施形態(内視鏡モジュールの例)
3 第3の実施形態(内視鏡モジュールの例)
4 第4の実施形態(アクチュエータの例)
5 第5の実施形態(アクチュエータの例)
[概要]
本発明者らは、絶縁破壊を引き起こす要因を解明すべく、筒状のアクチュエータ素子と、このアクチュエータ素子の内周面を支持するコイルスプリング(支持体)とを備えるアクチュエータについて、FEM(Finite Element Methode)解析を行った。その結果、以下のことを見出すに至った。すなわち、上記構成のアクチュエータでは、コイルスプリングの側面を覆うアクチュエータ素子が、コイルスプリングの隙間に食い込み、アクチュエータ素子の側面にくびれが発生する虞がある。このようなくびれが発生すると、アクチュエータ素子の厚さが不均一になり、厚さが薄いところで絶縁破壊が発生しやすくなる。
本技術の第1の実施形態に係るアクチュエータ10は、いわゆる電歪型アクチュエータであり、図1Aに示すように、円筒状のアクチュエータ素子11と、アクチュエータ素子11の内周面を支持する円筒状のコイルスプリング12と、アクチュエータ素子11の両端の開口部を閉鎖する封止部材13、14とを備える。アクチュエータ10が、アクチュエータ素子11の外周面を覆う、図示しない円筒状の保護層をさらに備えるようにしてもよい。
アクチュエータ素子11は、シート状を有している。アクチュエータ素子11は、予め円筒状に形成されたものであってもよいし、コイルスプリング12に巻き付けられて円筒状となったものであってもよい。
誘電体層11aは、伸縮性を有するシートである。誘電体層11aは、例えば、絶縁性伸縮材料として絶縁性エラストマを含んでいる。誘電体層11aは、必要に応じて添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、架橋剤、可塑剤、老化防止剤、界面活性剤、粘度調整剤、補強剤および着色剤などのうちの1種以上を用いることができる。絶縁性エラストマとしては、例えば、アクリルゴム、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体(EPDM)、天然ゴム(NR)、ブチルゴム(IIR)、イソプレンゴム(IR)、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム(NBR)、水素化アクリルニトリル−ブタジエン共重合ゴム(H−NBR)、ヒドリン系ゴム、クロロプレンゴム(CR)、フッ素ゴムおよびウレタンゴムなどのうちの1種以上を含むエラストマを用いることができる。誘電体層11aには、プレストレインがかけられていてもよい。
電極11b、11cは、誘電体層11aを介して対向する共に、アクチュエータ素子11の高さ方向に延設されている。複数の電極11b、11cは、誘電体層11aの周方向に等間隔で配置されている。図2A、図2Bでは、4つの電極11b、11cが、誘電体層11aの周方向に等間隔で配置された例が示されている。電極11b、11cには図示しない配線が接続されており、誘電体層11aを介して対向する電極11b、11c間には電圧が印加されるようになっている。
コイルスプリング12は、任意の方向に湾曲可能であり、かつ弾性変形可能な支持体の一例である。コイルスプリング12は、金属線などの線状部材が円筒状の螺旋に巻かれたコイル状のバネであり、線状部材間には隙間が形成されている。このため、コイルスプリング12は、アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持している。このようにアクチュエータ素子11の内周面が支持されることで、アクチュエータ素子11が変形しやすくなり、アクチュエータ10が伸縮動作や屈曲動作しやすくなる。ここで、“アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持している”とは、アクチュエータ素子11の高さ方向にとびとびの位置で、アクチュエータ素子11の内周面を支持していることを意味する。ここで、とびとびの位置の間隔は一定であってもよいし、変化してもよい。
封止部材13、14は、円盤状を有している。封止部材13、14は、金属または高分子材料を含んでいる。封止部材13、14が、エラストマなどを含み、弾性変形可能であってもよい。封止部材13、14は、アクチュエータ10の端部に設けられるデバイス(例えばカメラなどの電子機器)、またはアクチュエータ10の操作部であってもよい。
保護層は、電極11cを保護するためのものであり、伸縮性を有するシートである。保護層は、絶縁性を有する高分子樹脂を含んでいる。高分子樹脂としては、例えば塩化ビニルを用いることができる。第1の実施形態に係るアクチュエータ10では、アクチュエータ素子11にくびれが発生することが抑制されているので、アクチュエータ素子11の外周面と保護層との間に空気が入りこむことを抑制できる。
以下に、本技術の第1の実施形態に係るアクチュエータ10の動作の一例について説明する。
次に、アクチュエータ10の製造方法について説明する。まず、コイルスプリング12の周面に、矩形状のアクチュエータ素子11を巻き付け筒状にするか、または予め筒状に形成されたアクチュエータ素子11の内側にコイルスプリング12を挿入する。上記巻き付け後または挿入後のアクチュエータ素子11の周面にはくびれが発生している。
第1の実施形態に係るアクチュエータ10では、アクチュエータ10の内圧がアクチュエータ10の外圧よりも高くなっているので、アクチュエータ素子11にくびれが発生することを抑制できる(図1B参照)。これにより、アクチュエータ素子11の厚さが不均一になることを抑制できる。したがって、アクチュエータ10の絶縁耐性を向上できる。
アクチュエータ10の電界強度あたりの変形量(屈曲量)を向上できる。
アクチュエータ10の側面がより平滑になるため、使用時にアクチュエータ10の側面が周囲に引っかかり難くなる。したがって、アクチュエータ10を内視鏡に適用した場合には、内視鏡を人体などに挿入しやすくなるなど、内視鏡の操作性が向上する。
アクチュエータ素子11の側面にスプレーコートなどによる表面処理を施す場合には、表面処理をより均一に行うことができる。
重量を有した部品を追加することなく、アクチュエータ素子11のくびれ抑制できるため、アクチュエータ10の屈曲性を低下させずに上記効果を得ることができる。
(支持体の変形例)
第1の実施形態では、支持体としてコイルスプリング12を用いた構成について説明したが、支持体はコイルスプリング12に限定されるものではなく、アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持可能であるものであれば用いることができる。以下、コイルスプリング12以外の支持体の例について説明する。
アクチュエータ10を以下のようにして製造するようにしてもよい。まず、図10Aに示すように、コイルスプリング12が伸張された状態でアクチュエータ10を組み立てる。この際、アクチュエータ10の内部空間の体積は、最終的に得られるアクチュエータ10の内部空間の体積よりも大きく、またアクチュエータ素子11の側面にくびれが発生した状態である。次に、図10Bに示すように、コイルスプリング12の伸張を開放して、アクチュエータ10の内部空間の体積を低減させることにより、アクチュエータ10の内圧を増加させる。これにより、アクチュエータ素子11の周面のくびれが抑制された、目的とするアクチュエータ10が得られる。
アクチュエータ素子11が、積層されたシート状の誘電エラストマアクチュエータ素子により構成されていてもよい。この場合、予め円筒状に形成された複数の誘電エラストマアクチュエータ素子が、コイルスプリング12の周りに同心状に積層されていてもよいし、帯状を有する1枚の誘電エラストマアクチュエータ素子がコイルスプリング12の周りに巻回されて積層されていてもよい。第1の実施形態にて説明したように、アクチュエータ素子11の周面にくびれが発生することが抑制されているので、誘電エラストマアクチュエータ素子が積層された場合に、積層された誘電エラストマアクチュエータ素子間に空気が入りこむことが抑制される。
[内視鏡モジュールの構成]
本技術の第2の実施形態に係る内視鏡モジュールは、図11に示すように、内視鏡30と、制御部41と、屈曲駆動回路42と、内圧検出回路43と、加圧部44と、減圧部45とを備える。制御部41は電源46に接続される。なお、第2の実施形態において第1の実施形態と同様の箇所には同一の符号を付して説明を省略する。
次に、図13を参照して、電源投入時の内圧制御方法について説明する。まず、ステップS11において電源46が投入されると、ステップS12において、制御部41は加圧部44を駆動し、アクチュエータ33を加圧し、アクチュエータ33の内圧を上昇させる。次に、ステップS13において、内圧検出回路43が、感圧センサ35から供給される電気信号に基づきアクチュエータ33の内圧を検出し、検出結果を制御部41に供給する。
次に、図14を参照して、操作時の内圧制御方法について説明する。まず、ステップS21において内視鏡30の操作が開始されると、ステップS22において、内圧検出回路43が、感圧センサ35から供給される電気信号に基づきアクチュエータ33の内圧を検出し、検出結果を制御部41に供給する。次に、ステップS23において、制御部41は、内圧検出回路43から供給された内圧に基づき、アクチュエータ33の内圧が規定の圧力より低いか否かを判断する。
第2の実施形態に係る内視鏡モジュールでは、アクチュエータ33の内圧を増加させる加圧部44を備えるので、アクチュエータ33の内圧をアクチュエータ33の外圧よりも高くできる。したがって、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
図15に示すように、内視鏡モジュールが、加圧部44に代えて、加熱部47を備えるようにしてもよい。加熱部47としては、例えば赤外線ヒータなどを用いることができる。制御部41aは、加熱部47を制御して、アクチュエータ33の内部空間を加熱し、気体を膨張させることにより、アクチュエータ33の内圧を上昇させる。
[内視鏡モジュールの構成]
本技術の第3の実施形態に係る内視鏡モジュールは、図16に示すように、内視鏡30と、制御部41bと、屈曲駆動回路42と、屈曲角度検出回路48と、内圧検出回路43bと、加圧部44と、減圧部45とを備える。制御部41bは電源46に接続される。なお、第3の実施形態において第2の実施形態と同様の箇所には同一の符号を付して説明を省略する。
第3の実施形態に係る内視鏡モジュールは、アクチュエータ33の内圧および屈曲角度に基づき、アクチュエータ33の内圧が規定の圧力となるように、加圧部44および減圧部45をフィードバック制御する。このため、第2の実施形態に係る内視鏡モジュールよりも、アクチュエータ33の操作時においてアクチュエータ33の内圧を適切に制御することが可能である。
内視鏡モジュールが、加圧部44に代えて加熱部47を備えるようにしてもよいし、加圧部44と共に加熱部47を備えるようにしてもよい。また、内視鏡モジュールが減圧部45を備えていなくてもよい。
[アクチュエータの構成]
本技術の第4の実施形態に係るアクチュエータ50は、密閉された構造を有するスピーカであり、図17に示すように、円筒状のアクチュエータ素子51と、アクチュエータ素子11の両端部を支持する支持体52とを備える。アクチュエータ50の内圧は、アクチュエータ50の外圧に比べて高くなっている。
第4の実施形態に係るアクチュエータ50では、アクチュエータ50の内圧がアクチュエータ50の外圧よりも高くなっているので、第1の実施形態に係るアクチュエータ10と同様の効果を得ることができる。
アクチュエータ素子11が四角筒状などの角筒状を有し、支持部52b、52cが四角形などの多角形状を有していてもよい。
[アクチュエータの構成]
本技術の第5の実施形態に係るアクチュエータ60は、密閉された構造を有するスピーカであり、図18に示すように、矩形状のアクチュエータ素子61と、アクチュエータ素子61の周縁部を支持する支持体62とを備える。アクチュエータ60の内圧は、アクチュエータ60の外圧に比べて高くなっている。
第5の実施形態に係るアクチュエータ60では、アクチュエータ60の内圧がアクチュエータ60の外圧よりも高くなっているので、第1の実施形態に係るアクチュエータ10と同様の効果を得ることができる。
アクチュエータ60が、第4の実施形態の変形例と同様にアクチュエータモジュールを構成するようにしてもよい。
(1)
筒状のアクチュエータ素子と、
前記アクチュエータ素子の内周面を支持する支持体と
を備え、
前記アクチュエータ素子の内圧が、前記アクチュエータ素子の外圧よりも高いアクチュエータ。
(2)
前記支持体は、前記アクチュエータ素子の内周面を前記アクチュエータ素子の高さ方向に離散的に支持している(1)に記載のアクチュエータ。
(3)
前記支持体は、コイルスプリング、複数の支持部がジョイント機構部により連結された連結体、または複数の球体である(1)または(2)に記載のアクチュエータ。
(4)
前記アクチュエータ素子の内側の空間を満たす気体または液体をさらに備える(1)から(3)のいずれかに記載のアクチュエータ。
(5)
前記アクチュエータ素子は、誘電エラストマアクチュエータ素子である(1)から(4)のいずれかに記載のアクチュエータ。
(6)
前記誘電エラストマアクチュエータ素子は、積層されている(5)に記載のアクチュエータ。
(7)
前記アクチュエータ素子は、筒状の誘電体層と、前記誘電体層の内周面に設けられた第1の電極と、前記誘電体層の外周面に設けられた第2の電極とを備える(5)または(6)に記載のアクチュエータ。
(8)
前記アクチュエータ素子は、筒状の誘電体層と、前記誘電体層の内周面に設けられた複数の第1の電極と、前記誘電体層の外周面に設けられた複数の第2の電極とを備え、
前記第1の電極および前記第2の電極は、前記誘電体層を介して対向すると共に、前記アクチュエータ素子の高さ方向に延設されている(5)または(6)に記載のアクチュエータ。
(9)
(1)から(8)のいずれかに記載のアクチュエータを備える内視鏡。
(10)
筒状のアクチュエータ素子、および前記アクチュエータ素子の内周面を支持する支持体を有するアクチュエータと、
前記アクチュエータの駆動を制御する制御部と、
前記アクチュエータの内部空間を加圧する加圧部と
を備えるアクチュエータモジュール。
(11)
前記内部空間の圧力を検出する検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記検出部の検出結果に応じて、前記加圧部を制御する(10)に記載のアクチュエータモジュール。
(12)
前記内部空間を減圧する減圧部をさらに備え、
前記制御部は、前記検出部の検出結果に応じて、前記減圧部を制御する(11)に記載のアクチュエータモジュール。
(13)
前記加圧部は、前記内部空間に気体または液体を供給することで、前記アクチュエータの内部空間を加圧する(10)から(12)のいずれかに記載のアクチュエータモジュール。
(14)
(10)から(13)のいずれかに記載のアクチュエータモジュールを備える内視鏡モジュール。
(15)
アクチュエータ素子と、
前記アクチュエータ素子を支持する支持体と
を備え、
前記アクチュエータ素子の内圧が、前記アクチュエータ素子の外圧よりも高いアクチュエータ。
(16)
前記アクチュエータ素子は、筒状を有し、
前記支持体は、前記アクチュエータ素子の両端部を支持している(15)に記載のアクチュエータ。
(17)
前記支持体は、前記アクチュエータ素子の周縁部を支持している(15)または(16)に記載のアクチュエータ。
(18)
アクチュエータの内部空間の圧力を検出し、
前記検出の結果に基づき、前記アクチュエータの内部空間を加圧または減圧する
ことを含む制御方法。
11、51、61 アクチュエータ素子11
12 コイルスプリング(支持体)
13、14 封止部材
21、22、23、24、25 連結体(支持体)
26、27、52、62 支持体
26a 球体
35 感圧センサ
41、41a、41b 制御部
42 屈曲駆動回路
43 内圧検出回路
44 加圧部
45 減圧部
Claims (16)
- 筒状のアクチュエータ素子と、
前記アクチュエータ素子の内周面を支持する支持体と
を備え、
前記アクチュエータ素子は、誘電エラストマアクチュエータ素子であり、筒状の誘電体層と、前記誘電体層の内周面に設けられた第1の電極と、前記誘電体層の外周面に設けられた第2の電極とを備え、
前記アクチュエータ素子の内圧が、前記アクチュエータ素子の外圧よりも高い電歪型アクチュエータ。 - 前記支持体は、前記アクチュエータ素子の内周面を前記アクチュエータ素子の高さ方向に離散的に支持している請求項1に記載の電歪型アクチュエータ。
- 前記支持体は、コイルスプリング、複数の支持部がジョイント機構部により連結された連結体、または複数の球体である請求項1または2に記載の電歪型アクチュエータ。
- 前記アクチュエータ素子の内側の空間を満たす気体または液体をさらに備える請求項1から3のいずれか1項に記載の電歪型アクチュエータ。
- 前記誘電エラストマアクチュエータ素子は、積層されている請求項1から4のいずれか1項に記載の電歪型アクチュエータ。
- 前記第1の電極および前記第2の電極は、前記誘電体層を介して対向すると共に、前記アクチュエータ素子の高さ方向に延設されている請求項1から5のいずれか1項に記載の電歪型アクチュエータ。
- 請求項1から6のいずれか1項に記載の電歪型アクチュエータを備える内視鏡。
- 筒状のアクチュエータ素子、および前記アクチュエータ素子の内周面を支持する支持体を有する電歪型アクチュエータと、
前記電歪型アクチュエータの駆動を制御する制御部と、
前記電歪型アクチュエータの内部空間を加圧する加圧部と
を備え、
前記アクチュエータ素子は、誘電エラストマアクチュエータ素子であり、筒状の誘電体層と、前記誘電体層の内周面に設けられた第1の電極と、前記誘電体層の外周面に設けられた第2の電極とを備えるアクチュエータモジュール。 - 前記内部空間の圧力を検出する検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記検出部の検出結果に応じて、前記加圧部を制御する請求項8に記載のアクチュエータモジュール。 - 前記内部空間を減圧する減圧部をさらに備え、
前記制御部は、前記検出部の検出結果に応じて、前記減圧部を制御する請求項9に記載のアクチュエータモジュール。 - 前記加圧部は、前記内部空間に気体または液体を供給することで、前記電歪型アクチュエータの内部空間を加圧する請求項8から10のいずれか1項に記載のアクチュエータモジュール。
- 請求項8から11のいずれか1項に記載のアクチュエータモジュールを備える内視鏡モジュール。
- アクチュエータ素子と、
前記アクチュエータ素子を支持する支持体と
を備え、
前記アクチュエータ素子は、誘電エラストマアクチュエータ素子であり、誘電体層と、前記誘電体層の一方の面に設けられた第1の電極と、前記誘電体層の他方の面に設けられた第2の電極とを備え、
電歪型アクチュエータの内圧が、前記電歪型アクチュエータの外圧よりも高い電歪型アクチュエータ。 - 前記アクチュエータ素子は、筒状を有し、
前記支持体は、前記アクチュエータ素子の両端部を支持している請求項13に記載の電歪型アクチュエータ。 - 前記支持体は、前記アクチュエータ素子の周縁部を支持している請求項13に記載の電歪型アクチュエータ。
- 電歪型アクチュエータの内部空間の圧力を検出し、
前記検出の結果に基づき、前記電歪型アクチュエータの内部空間を加圧または減圧する
ことを含み、
前記電歪型アクチュエータは、
アクチュエータ素子と、
前記アクチュエータ素子を支持する支持体と
を備え、
前記アクチュエータ素子は、誘電エラストマアクチュエータ素子であり、誘電体層と、前記誘電体層の一方の面に設けられた第1の電極と、前記誘電体層の他方の面に設けられた第2の電極とを備える制御方法。
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