JP7032875B2 - 誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置に関する。

誘電エラストマーを用いた誘電エラストマートランスデューサーを備える駆動装置は、電動モータ等と比べて軽量であり反応速度に優れる等の利点を有する。図２４および図２５は、従来の誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置を示している（特許文献１）。同図に示された誘電エラストマー駆動装置は、誘電エラストマートランスデューサー９０と電源部９５とを有する。誘電エラストマートランスデューサー９０は、誘電エラストマー層９１および一対の電極層９２，９３と張力維持体９４とを備える。誘電エラストマー層は、所定の樹脂材料からなり、一対の電極層９２，９３は、誘電エラストマー層９１の両面にそれぞれ形成されている。図２４に示すように、誘電エラストマー層９１および一対の電極層９２，９３は、十分な大きさを有する１枚の材料が巻き取られることにより複数層の円筒形状をなしている。図２５に示すように、誘電エラストマートランスデューサー９０においては、誘電エラストマー層９１および一対の電極層９２，９３が、張力維持体９４に巻きつけられている。張力維持体６は、誘電エラストマー層９１を軸方向に伸長させる張力を維持する。電源部９５から一対の電極層９２，９３に電圧が印加されると、クーロン力によって一対の電極層９２，９３が引き合う。この引力により、誘電エラストマー層９１の厚さが減じられ、軸方向寸法が増大する。これにより、誘電エラストマートランスデューサー９０が軸方向に伸長する。誘電エラストマー駆動装置Ｘにおいては、電源部９５による電圧の印加を制御することにより、誘電エラストマートランスデューサー９０を伸長または収縮させることができる。

誘電エラストマー層９１および一対の電極層９２，９３を複数層の円筒形状とする構成は、誘電エラストマートランスデューサー９０の駆動力を高めることが意図されている。しかし、このような構成は、以下に述べる点が懸念される。

誘電エラストマートランスデューサー９０においては、誘電エラストマー層９１および一対の電極層９２，９３が張力維持体９４に巻きつけられている。仮に、誘電エラストマー層９１および一対の電極層９２，９３が張力維持体９４に接合されていなくても、張力維持体９４によって軸方向に伸長させる張力が維持された誘電エラストマー層９１は、軸方向中央部分がくびれるような変形を生じる。このため、一対の電極層９２，９３が張力維持体９４に押付けられ、あるいは一対の電極層９２，９３が密着しあう格好となる。このような状態で、電源部９５からの電圧印加制御により誘電エラストマートランスデューサー９０が伸長および収縮すると、一対の電極層９２，９３が不当に擦れてしまう事態が生じ、一対の電極層９２，９３の損傷が懸念される。また、誘電エラストマートランスデューサー９０のうち張力維持体９４に固定された部分は、電圧が印加されても伸長には寄与しない。

特開２０１２－６５４２７号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、電極層の損傷を回避しつつ、十分な伸長量を得ることが可能な誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置を提供することをその課題とする。

本発明の第１の側面によって提供される誘電エラストマートランスデューサーは、誘電エラストマー層および当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を有する誘電エラストマー機能要素を備える誘電エラストマートランスデューサーであって、前記誘電エラストマー機能要素を支持する支持体をさらに備えており、前記各電極層は、１以上の印加領域を有しており、前記誘電エラストマー機能要素は、前記一対の電極層の前記印加領域が重なった１以上の機能部を有しており、前記機能部は、前記支持体から離間していることを特徴としている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記誘電エラストマー機能要素は、前記電極層が設けられていない１以上の無電極部を有しており、前記無電極部は、前記支持体に固定されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記誘電エラストマー機能要素は、少なくとも前記機能部が一重となる筒状とされている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記誘電エラストマー機能要素は、軸方向に互いに離間した複数の前記機能部を有する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記印加領域は、周方向において複数の部分に分割されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記電極層は、前記複数の印加領域同士を連結する連結部を有しており、前記連結部は、前記支持体に固定されていない。

本発明の好ましい実施の形態においては、一方の前記電極層の前記連結部は、他方の前記電極層と重なっていない。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記支持体は、軸方向視において円形状であり且つ軸方向に離間配置された複数の板状部材からなる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記印加領域に接続された配線をさらに備える。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記誘電エラストマー機能要素を伸長させる張力維持体をさらに備える。

本発明の第２の側面によって提供される誘電エラストマー駆動装置は、本発明の第１の側面によって提供される誘電エラストマートランスデューサーと、前記誘電エラストマートランスデューサーに電圧を印加するための電源部と、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、電極層の損傷を回避しつつ、十分な伸長量を得ることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の第１実施形態の誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態の誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置を示す平面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図３のＩＶ部を示す要部拡大断面図である。 図３のＶ－Ｖ線に沿う要部拡大断面図である。 本発明の第１実施形態の誘電エラストマートランスデューサーの誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。 本発明の第１実施形態の誘電エラストマートランスデューサーの誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。 本発明の第１実施形態の誘電エラストマートランスデューサーの誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。 本発明の第１実施形態の変形例の誘電エラストマートランスデューサーの誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。 本発明の第１実施形態の変形例の誘電エラストマートランスデューサーの誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。 本発明の第１実施形態の他の変形例の誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態の誘電エラストマートランスデューサーの誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。 本発明の第２実施形態の誘電エラストマートランスデューサーの誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。 本発明の第２実施形態の変形例の誘電エラストマートランスデューサーの誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。 本発明の第２実施形態の変形例の誘電エラストマートランスデューサーの誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。 本発明の第３実施形態の誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置を示す断面図である。 本発明の第３実施形態の誘電エラストマートランスデューサーの誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。 本発明の第３実施形態の誘電エラストマートランスデューサーの誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。 本発明の第４実施形態の誘電エラストマートランスデューサーを示す斜視図である。 本発明の第５実施形態の誘電エラストマートランスデューサーを示す斜視図である。 本発明に係る誘電エラストマー発電装置の一例を示す構成図である。 本発明に係る誘電エラストマーセンサ装置の一例を示す構成図である。 従来の誘電エラストマートランスデューサーの一例に用いられる誘電エラストマー層および電極層を示す斜視図である。 従来の誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置の一例を示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１～図８は、本発明の第１実施形態の誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置を示している。本実施形態の誘電エラストマー駆動装置Ｂ１は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１および電源部７を備えている。誘電エラストマー駆動装置Ｂ１は、たとえば電源部７からの電圧印加に応じて、誘電エラストマートランスデューサーＡ１を動作させることにより、駆動力を出力する装置である。誘電エラストマー駆動装置Ｂ１の用途は特に限定されず、典型的な例としては、たとえばロボットアームや義手等が挙げられる。

図１は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１および誘電エラストマー駆動装置Ｂ１を示す斜視図である。図２は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１および誘電エラストマー駆動装置Ｂ１を示す平面図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、図３のＩＶ部を示す要部拡大断面図である。図５は、図３のＶ－Ｖ線に沿う要部拡大断面図である。図６～図８は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の誘電エラストマー層および電極層を示す展開平面図である。

誘電エラストマートランスデューサーＡ１は、誘電エラストマー機能要素１、複数の支持体５および張力維持体６を備えている。誘電エラストマー機能要素１は、誘電エラストマー層２および一対の電極層３，４を有しており、いわゆる人工筋肉と称される動作を可能とするものである。

誘電エラストマー層２は、誘電エラストマー機能要素１がたとえば人工筋肉として用いられることを考慮すると、弾性変形が可能であるとともに、絶縁強度が高いことが求められる。このような誘電エラストマー層２の材質は特に限定されないが、好ましい例として、たとえばシリコーンエラストマーやアクリルエラストマー等が挙げられる。

一対の電極層３，４は、誘電エラストマー層２を挟んでおり、電源部７によって電圧が印加されるものである。一対の電極層３，４は、導電性を有するとともに、誘電エラストマー層２の弾性変形に追従しうる弾性変形が可能な材質によって形成される。このような材質としては、弾性変形可能な主材に導電性を付与するフィラーが混入された材質が挙げられる。前記フィラーの好ましい例として、たとえばカーボンナノチューブが挙げられる。本実施形態においては、円筒形状とされた誘電エラストマー層２の外面に電極層３が設けられており、内面に電極層４が設けられている。

誘電エラストマー機能要素１は、外部からの外力や拘束を受けていない場合、電源部７からの電圧が印加されていない状態においては、自発的な伸長や伸縮を生じていない自然長状態であり、外力が付与された場合に、誘電エラストマー層２の弾性変形が許容されている。電源部７から電圧が付与されると、一対の電極層３，４には、誘電エラストマー層２を挟んで正負の電荷が蓄えられる。これらの電荷のクーロン力により、一対の電極層３，４が互いに引き合い、誘電エラストマー層２が厚さ方向に圧縮される。この厚さ方向の圧縮に応じて、誘電エラストマー層２の厚さ方向視寸法が伸長する。このように、誘電エラストマー機能要素１は、電圧が印加されることにより、厚さ方向視寸法が伸長する挙動をとりうる。なお、本発明で言う誘電エラストマー機能要素としては、電圧の印加により厚さ方向視寸法が伸長する構成に限定されず、電圧の印加によって厚さ方向視寸法が縮小する構成を採用してもよい。

図６～図８は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１が構築される前の状態の誘電エラストマー層２および一対の電極層３，４を示している。なお、これらの図においては、図１に示す周方向θの特定の位置である位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に相当する位置を一点鎖線で示している。

図６は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１において誘電エラストマー層２の外面となる面を示す平面図である。同図に示すように、本実施形態の電極層３は、複数の印加部３１、複数の連結部３２および接続部３３を有する。

印加部３１は、誘電エラストマー機能要素１において電極層４の対応する部位とともに誘電エラストマー層２を挟む部位であり、電圧が印加される部位である。印加部３１の形状等は特に限定されず、図示された例においては、周方向θに長く延びる長矩形状である。複数の印加部３１は、軸方向ｚに隙間をおいて並んでいる。複数の印加部３１の個数は特に限定されず、図示された例においては、３つの印加部３１を有する場合が示されている。複数の印加部３１の個数は、２個であってもよいし、４個以上であってもよい。

連結部３２は、軸方向ｚに隣り合う印加部３１同士を連結しており、隣り合う印加部３１を導通させている。図示された例においては６つの連結部３２が設けられている。このうち３つずつの連結部３２の軸方向ｚ位置が一致している。また、これらの連結部３２は、位置Ｐ２および位置Ｐ４に位置している。

接続部３３は、軸方向ｚ上側に位置する印加部３１から軸方向ｚ上方に延びる部分である。図３に示すように、接続部３３は、電源部７からの電圧印加回路を構成する配線７１が接続される部位である。

図７は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１において誘電エラストマー層２の内面となる面を示す平面図である。同図に示すように、本実施形態の電極層４は、複数の印加部４１、複数の連結部４２および接続部４３を有する。

印加部４１は、誘電エラストマー機能要素１において電極層３の印加部３１とともに誘電エラストマー層２を挟む部位であり、電圧が印加される部位である。印加部４１の形状等は特に限定されず、図示された例においては、周方向θに長く延びる長矩形状である。複数の印加部４１は、軸方向ｚに隙間をおいて並んでいる。複数の印加部４１の個数は特に限定されず、図示された例においては、３つの印加部４１を有する場合が示されている。複数の印加部４１の個数は、２個であってもよいし、４個以上であってもよい。

連結部４２は、軸方向ｚに隣り合う印加部４１同士を連結しており、隣り合う印加部４１を導通させている。図示された例においては４つの連結部４２が設けられている。このうち２つずつ連結部４２の軸方向ｚ位置が一致している。また、これらの連結部４２は、位置Ｐ１および位置Ｐ３に位置しており、電極層３の連結部３２とは、周方向θにおける位置が異なっている。

接続部４３は、軸方向ｚ下側に位置する印加部４１から軸方向ｚ下方に延びる部分であり、軸方向ｚにおける位置が電極層３の接続部３３とは反対側である。図３に示すように、接続部４３は、電源部７からの電圧印加回路を構成する配線７２が接続される部位である。

図８は、誘電エラストマー層２および電極層３に電極層４の一部を陰線で重ねて示している。同図に示すように、誘電エラストマー機能要素１は、複数の機能部１１および複数の無電極部１２が構成されている。

機能部１１は、電極層３の印加部３１および電極層４の印加部４１と、誘電エラストマー層２のうちこれらの印加部３１および印加部４１に挟まれた部分と、によって構成されている。すなわち機能部１１を構成する誘電エラストマー層２の部分は、印加部３１および印加部４１に電圧が印加されると顕著に変形する部分である。図示された例においては、軸方向ｚに並ぶ３つの機能部１１が設けられている。

無電極部１２は、誘電エラストマー層２のうち電極層３および電極層４の双方が形成されていない部分によって構成されており、軸方向ｚにおいて隣り合う機能部１１の間に位置している。図示された例においては、８つの無電極部１２が設けられている。

複数の支持体５は、誘電エラストマー機能要素１を筒状に維持するためのものである。本実施形態においては、誘電エラストマー機能要素１を円筒形状に維持する構成とされており、軸方向ｚ視において円形状の板状部材であり、外周面５１を有する。支持体５の個数は特に限定されず、本実施形態においては３つの機能部１１が軸方向ｚに並べられていることに対応して、４つの支持体５が設けられている。なお、支持体５の構成は特に限定されず、誘電エラストマー機能要素１を所望の状態で支持するものであればよい。支持体５は、楕円形及び多角形状等であってもよい。これらの場合、誘電エラストマー機能要素１は、楕円筒状や多角形筒状となる。さらに、誘電エラストマー機能要素１は、板状の他に枠状や骨組構造であってもよい。

図３に示すように、軸方向ｚの上端および下端に位置する２つの支持体５は、大きな貫通孔を有していない。軸方向ｚ内側に位置する２つの支持体５は、貫通孔５２を有している。貫通孔５２は、支持体５を軸方向ｚに貫通しており、軸方向ｚ視において支持体５の中央に位置している。また、支持体５は、凹部５３を有していてもよい。図示された例においては、位置Ｐ１および位置Ｐ３に、２つの凹部５３が形成されている。凹部５３は、外周面５１から径方向内方に凹んでいる。

張力維持体６は、誘電エラストマー機能要素１を軸方向ｚに伸長させる張力を維持するものである。張力維持体６の具体的構成は特に限定されず、本実施形態においては、張力維持体６は、ばねによって構成されている。図３に示すように、張力維持体６の両端は、軸方向ｚの上端および下端に位置する２つの支持体５に取付けられている。また、張力維持体６は、軸方向ｚ内側に位置する２つの支持体５の貫通孔５２に挿通されている。

本実施形態においては、誘電エラストマー機能要素１が４つの支持体５に接合されることにより、誘電エラストマー機能要素１が円筒形状に維持されている。図６～図８に示す誘電エラストマー機能要素１を４つの支持体５に巻き付けることにより、円筒形状とする。本実施形態においては、誘電エラストマー機能要素１は、一重の円筒形状とされている。より具体的には、少なくとも機能部１１が一重となる構成である。すなわち、図６～図８に示す誘電エラストマー機能要素１を複数の支持体５に巻きつけた際に、誘電エラストマー機能要素１の周方向θであって機能部１１以外の部分同士が僅かに重なり合う構成であってもよい。

誘電エラストマー機能要素１は、４つの支持体５の外周面５１に接合されている。より具体的には、図５に示すように、誘電エラストマー機能要素１の無電極部１２の内面が接合材２９によって支持体５の外周面５１に接合されている。また、図４に示すように、誘電エラストマー層２のうち外面に電極層３が設けられているものの、内面に電極層４が設けられていない箇所が、支持体５の外周面５１に接合材２９によって接合されている。一方、図３および図４に示すように、機能部１１を構成する印加部４１は、複数の支持体５に対して軸方向ｚに離間している。このため、印加部４１（機能部１１）は、支持体５に対して接合されておらず、軸方向ｚに離間している。

また、電極層４の連結部４２は、支持体５に対して接合されていない。本実施形態においては、図５に示すように、支持体５のうち連結部４２が存在する位置Ｐ１および位置Ｐ３に凹部５３が形成されている。周方向θにおいて連結部４２と凹部５３との位置を一致させることにより、連結部４２は、支持体５から明瞭に離間している。なお、凹部５３が設けられていることにより、連結部４２を支持体５から離間させる構成に限定されず、凹部５３が設けられていない支持体５を用いてもよい。この場合であっても、無電極部１２を接合材２９によって外周面５１に接合し、連結部４２は、支持体５の外周面５１には接合しないことが好ましい。

図３に示すように、円筒形状とされた誘電エラストマー機能要素１の内部に張力維持体６が設けられている。誘電エラストマー機能要素１と張力維持体６とは接しておらず、径方向ｒに離間している。図示された状態は、電源部７からの電圧が印加されていない状態である。同図において、張力維持体６は、自然長に対して軸方向ｚに圧縮された状態であり、軸方向ｚに伸長して復帰しようとする弾性力を発揮している。この張力維持体６の弾性力が２つの支持体５を介して誘電エラストマー機能要素１の軸方向ｚ両端に付与されている。これにより、誘電エラストマー機能要素１は、軸方向ｚに伸長する張力が維持されている。この張力維持により、誘電エラストマー機能要素１は、軸方向ｚに伸長するとともに、軸方向ｚにおいて隣り合う支持体５の間において、若干くびれた形状となる。図示された例においては、たとえば支持体５の直径が軸方向ｚにおいて隣り合う支持体５同士の距離と同程度か当該距離よりも小である。このため、隣り合う支持体５の間に位置する誘電エラストマー機能要素１は、比較的短軸の円筒形状をなしている。このため、上述した誘電エラストマー機能要素１のくびれは、たとえば、軸方向ｚの上端および下端の２つの支持体５のみによって誘電エラストマー機能要素１を円筒形状とし同等の張力を維持した場合のくびれと比べて、顕著に小となっている。

次に、誘電エラストマートランスデューサーＡ１および誘電エラストマー駆動装置Ｂ１の作用について説明する。

本実施形態によれば、図３に示すように、無電極部１２が支持体５に固定されており、機能部１１は、支持体５から離間している。機能部１１は、電源部７による電圧印加により、伸縮する部位である。このような機能部１１が支持体５に接合されていると、伸縮が支持体５によって不当に拘束されることになる。これにより、十分な伸縮が阻害されてしまう。また、たとえば印加部４１が支持体５に接合されていると、印加部４１に過大な応力が生じ、印加部４１が破損することが懸念される。本実施形態においては、機能部１１が支持体５から離間しているため、機能部１１の伸縮が阻害されるおそれがなく十分な伸縮が期待できる。また、機能部１１を構成する印加部３１および印加部４１は、いずれも支持体５に接合されていない。このため、印加部３１および印加部４１に過大な応力が生じることを回避可能であり、印加部３１および印加部４１の破損を抑制することができる。したがって、誘電エラストマートランスデューサーＡ１および誘電エラストマー駆動装置Ｂ１によれば、電極層３，４の損傷を回避しつつ、十分な伸長量を得ることができる。

複数の機能部１１が軸方向ｚにおいて多段をなす構成であることにより、各機能部１１の軸方向ｚ寸法を相対的に縮小することが可能である。これにより、誘電エラストマー機能要素１の張力に伴うくびれ量を縮小することが可能であり、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の伸縮を効果的に生じさせることができる。また、誘電エラストマー機能要素１が一重とされていることにより、たとえば機能部１１が重なり合うことによって電極層３および電極層４が擦れ合うことを回避することができる。

図４および図５に示すように、誘電エラストマー機能要素１のうち支持体５の外周面５１に接合されている部位は、誘電エラストマー層２の一部であり、電極層４は、支持体５には接合されていない。このため、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の伸縮に伴って連結部４２に変形が生じたとしても、この変形が支持体５によって拘束されることを回避可能である。これは、電極層４の保護に好ましい。

図６～図８に示すように、電極層３の連結部３２と電極層４の連結部４２とは、周方向θにおける位置が互いに異なるものとされている。このため、軸方向ｚにおいて支持体５が存在する領域においては、誘電エラストマー層２の同一部分を電極層３と電極層４との双方が挟む構造が存在しない。すなわち、誘電エラストマー層２のみによって構成された部分、または誘電エラストマー層２と電極層３および電極層４のいずれか一方のみとによって構成された部分は、電源部７によって電圧が印加されても顕著な変形を生じない。したがって、誘電エラストマー機能要素１のうち支持体５に接合された箇所が、変形に抗して不当に拘束されるという事態を回避することができる。

接続部３３と接続部４３とが軸方向ｚにおいて互いに反対側に設けられていることにより、接続部３３と接続部４３との間に意図しないクーロン力が生じることを防止することができる。

図９～図２３は、本発明の変形例および他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図９および図１０は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の変形例の誘電エラストマー機能要素１を示している。本変形例においては、電極層３の接続部３３と電極層４の接続部４３とが、軸方向ｚにおいて同じ側に設けられている。

本変形例においては、図９に示すように、周方向θに離間配置された複数の接続部３３が設けられている。また、図１０に示すように、周方向θに離間配置された複数の接続部４３が設けられている。複数の接続部３３は、位置Ｐ２および位置Ｐ４に設けられており、複数の接続部４３は、位置Ｐ１および位置Ｐ３に設けられている。すなわち、複数の接続部３３と複数の接続部４３とは、周方向θにおいて互いに異なる位置に設けられている。

このような変形例によっても、電極層３，４の損傷を回避しつつ、十分な伸長量を得ることができる。

図１１は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１および誘電エラストマー駆動装置Ｂ１の他の変形例を示している。本実施形態においては、誘電エラストマートランスデューサーＡ１に複数の配線７３および複数の金属膜７５が設けられている。金属膜７５は、たとえばＣｕ等の金属からなり、支持体５に接合されている。より具体的には、金属膜７５は、径方向ｒを長手方向とし周方向θを幅方向とする帯状である。４つの支持体５のうち軸方向ｚ下方に位置する３つの支持体５に金属膜７５が接合されている。金属膜７５は、支持体５の軸方向上面、下面および外周面５１にわたって設けられている。複数の配線７３は、隣り合う支持体５に設けられた金属膜７５に接続されており、隣り合う金属膜７５を導通させる低抵抗な導通経路を構成している。金属膜７５のうち外周面５１を覆う部分は、電極層４の連結部４２に導通接続されている。

このような変形例によっても、電極層３，４の損傷を回避しつつ、十分な伸長量を得ることができる。また、配線７３および金属膜７５によって導通経路を構成することにより、複数の印加部４１は、隣り合う印加部４１を経由する導通経路に加えて、配線７３および金属膜７５を経由する導通経路が構成されている。配線７３および金属膜７５を経由する導通経路は、印加部４１を経由する導通経路よりも低抵抗とすることが容易である。したがって、誘電エラストマー機能要素１の全体をより効率よく伸縮させることができる。また、誘電エラストマー機能要素１への電荷の供給や誘電エラストマー機能要素１からの電荷の除去をより短時間で完了させることが可能である。したがって、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の動作速度を高めることができる。なお、本変形例の構成の他に、配線７３に代えて張力維持体６によって、誘電エラストマー機能要素１への導通経路を構成してもよい。たとえば、張力維持体６の少なくとも表面を導電体によって構成し、この張力維持体６と金属膜７５とを接触させることにより、上述の導通経路を構成することができる。

図９～図１１に示す変形例の構成は、以降の実施形態においても適宜採用できる。

図１２～図１４は、本発明の第２実施形態の誘電エラストマートランスデューサーを示している。本実施形態の誘電エラストマートランスデューサーＡ２は、図１３に示すように、電極層３が、６つの印加部３１を有している。そして、２つずつの印加部３１が周方向θに互いに離間して配置されている。軸方向ｚにおいて隣り合う印加部３１は、連結部３２によって連結されている。また、図１４に示すように、電極層４が、６つの印加部４１を有している。そして、２つずつの印加部４１が周方向θに互いに離間して配置されている。軸方向ｚにおいて隣り合う印加部４１は、連結部４２によって連結されている。このような電極層３および電極層４の構成により、誘電エラストマー機能要素１は、６つの機能部１１を有している。２つずつの機能部１１が周方向θに互いに離間して配置されている。また、位置Ｐ２および位置Ｐ４を挟んで３つずつの機能部１１がそれぞれ周方向θに分かれて配置されている。軸方向ｚにおいて隣り合う機能部１１の間には、上述した実施形態と同様に無電極部１２が設けられている。

本実施形態においては、電極層３の２つの接続部３３のそれぞれに図３に示す配線７１が個別に接続される。また、電極層４の２つの接続部４３のそれぞれに図３に示す配線７２が個別に接続される。このような構成により、図１２に示すように、電極層３および電極層４の全体に電圧を印加した場合、誘電エラストマートランスデューサーＡ２は、軸方向ｚに伸長するように変形する。また、位置Ｐ１に位置する接続部３３および接続部４３のみに電圧を印加した場合、誘電エラストマートランスデューサーＡ１は、位置Ｐ３側に曲がるように変形する。また、位置Ｐ３に位置する接続部３３および接続部４３のみに電圧を印加した場合、誘電エラストマートランスデューサーＡ１は、位置Ｐ１側に曲がるように変形する。

このような実施形態によっても、電極層３，４の損傷を回避しつつ、十分な伸長量を得ることができる。また、電圧を印加する印加部３１および印加部４１（機能部１１）を適宜選択することにより、誘電エラストマートランスデューサーＡ２に伸長と２通りの曲げという複数種類の変形を生じさせることができる。なお、張力維持体６として、ばねとは異なる弾性体の棒状部材を採用してもよい。この場合、誘電エラストマー機能要素１の張力を維持できるものの、２つの接続部３３および２つの接続部４３の双方に電圧を印加しても誘電エラストマートランスデューサーＡ２は、顕著な変形を呈さない。一方の接続部３３および接続部４３に電圧を印加した場合に、上述した曲がるような変形を呈する。

図１５および図１６は、誘電エラストマートランスデューサーＡ２の変形例の誘電エラストマー機能要素１を示している。本変形例においては、電極層３が１２個の印加部３１を有しており、電極層４が１２個の印加部４１を有している。４つずつの印加部３１が周方向θに互いに離間配置されており、４つずつの印加部４１が周方向θに互いに離間配置されている。これにより、誘電エラストマー機能要素１は、１２個の機能部１１を有しており、４つずつの機能部１１が周方向θに離間配置されている。また、周方向θに離間配置された印加部３１および印加部４１に対応して、４つの接続部３３および４つの接続部４３が設けられている。

このような変形例によっても、電極層３，４の損傷を回避しつつ、十分な伸長量を得ることができる。また、４つの接続部３３および４つの接続部４３のいずれか一組のみに電圧を印加することにより、この接続部３３および接続部４３が存在する位置とは周方向θにおいて反対側に誘電エラストマートランスデューサーＡ２が曲がるように変形を生じさせることができる。したがって、本変形例の誘電エラストマートランスデューサーＡ２は、互いに９０°ずつ異なる４つの方位に曲がるような変形を任意に選択して生じさせることができる。

図１７～図１９は、本発明の第３実施形態に基づく誘電エラストマートランスデューサーおよび誘電エラストマー駆動装置を示している。本実施形態の誘電エラストマートランスデューサーＡ３および誘電エラストマー駆動装置Ｂ３においては、図１７および図１８に示すように、電極層３が、誘電エラストマー層２の略全体を覆う矩形状とされている。ただし、この電極層３は、図中において補助線および符号を用いて示されたように、３ｔの印加部３１、２つの連結部３２および接続部３３を有する。３つの印加部３１は、ｚ方向に配列されており、連結部３２は、隣り合う印加部３１の間に介在している。また、図１９に示すように、電極層４が軸方向ｚに離間配置された３つの印加部４１を有している。電極層４は、隣り合う印加部４１同士を連結する部位を有していない。このため、３つの印加部４１同士は、それぞれ互いに絶縁されている。誘電エラストマー機能要素１は、軸方向ｚに離間配置された３つの機能部１１を有する。

図１７に示すように、誘電エラストマー駆動装置Ｂ３は、配線７１および複数の配線７２を有している。また、３つの支持体５には、貫通孔５４がそれぞれ設けられている。配線７１は、たとえば電源部７のマイナス極に繋げられており、電極層３の接続部３３に接続されている。これにより、配線７１は、接続部３３および複数の連結部３２を介して各印加部３１に導通している。また、複数の配線７２は、たとえば電源部７のプラス極に繋げられており、電極層４の３つの印加部４１に各別に接続されている。これにより、誘電エラストマー駆動装置Ｂ３においては、３つの機能部１１のそれぞれに独立して電圧を印加可能とされている。

このような実施形態によっても、電極層３，４の損傷を回避しつつ、十分な伸長量を得ることができる。また、３つの機能部１１のそれぞれに独立して電圧を印加可能であることにより、軸方向ｚに多段構成とされた複数の機能部１１のいずれかを任意に伸長させることができる。また、図１３および図１４や図１５および図１６に示すように、印加部３１および印加部４１を、周方向θに離間配置された複数のものとして構成することにより、誘電エラストマートランスデューサーＡ３を、多段の伸縮に加えて多段の曲げが可能な構成とすることができる。

図２０は、本発明の第４実施形態に基づく誘電エラストマートランスデューサーを示している。本実施形態の誘電エラストマートランスデューサーＡ４は 、誘電エラストマー機能要素１が１つのみの機能部１１を有している。すなわち、電極層３が１つのみの印加部３１を有し、電極層４が１つのみの印加部４１を有している。電極層３及び電極層４は、上述の接続部３３及び接続部４３を有していてもよい。

本実施形態においても、機能部１１は、支持体５から離間しており、支持体５には固定されていない。また、誘電エラストマー機能要素１は、機能部１１の周囲に無電極部１２が設けられている。無電極部１２の少なくとも一部が支持体５に固定されることにより、誘電エラストマー機能要素１は、支持体５によって筒状に支持されている。

このような実施形態によっても、電極層３，４の損傷を回避しつつ、十分な伸長量を得ることができる。また、本実施形態から理解されるように、本発明においては、誘電エラストマー機能要素１は、支持体５によって固定されていない１つ以上の機能部１１を有する構成であればよい。

図２１は、本発明の第５実施形態に基づく誘電エラストマートランスデューサーを示している。本実施形態の誘電エラストマートランスデューサーＡ５は、誘電エラストマー機能要素１の基本形状や個数が、上述した実施形態と異なっている。

本実施形態においては、誘電エラストマー機能要素１は、２つずつの誘電エラストマー層２、電極層３及び電極層４を有している。各誘電エラストマー層２は、たとえば長矩形状である。各電極層３は、２つの印加部３１と連結部３２とを有している。２つの印加部３１は、誘電エラストマー層２の長手方向に並んで配置されており、各々がたとえば矩形状である。各電極層４は、２つの印加部４１と連結部４２とを有している。２つの印加部４１は、誘電エラストマー層２の長手方向に並んで配置されており、各々がたとえば矩形状である。このような構成により、誘電エラストマー機能要素１は、ｚ方向に並んだ２つの機能部１１と、２つの機能部１１の間に位置する無電極部１２とを有している。

また、誘電エラストマートランスデューサーＡ５は、３つの支持体５を有している。各支持体５は、たとえばｚ方向視において、ｘ方向及びｙ方向に沿う四辺を有する矩形状の板状である。３つの支持体５は、ｚ方向に互いに離間して配置されている。３つの支持体５のｘ方向手前側の部分に、一方の誘電エラストマー機能要素１が固定されている。また、３つの支持体５のｘ方向奥側の部分に、他方の誘電エラストマー機能要素１が固定されている。これらの固定においても、機能部１１は、支持体５に固定されておらず、無電極部１２が支持体５に固定されている。なお、誘電エラストマートランスデューサーＡ５のｘ方向への屈曲動作をよりスムーズに生じさせる観点からは、支持体５は、ｚ方向視においてｘ方向を短手方向とし、ｙ方向を長手方向とする、長矩形状が好ましい。

このような実施形態によっても、電極層３，４の損傷を回避しつつ、十分な伸長量を得ることができる。また、本実施形態から理解されるように、誘電エラストマー機能要素１の形状は筒状に限定されず、平板状、錐台形状等の様々な形状としうる。また、複数の誘電エラストマー機能要素１を備えることにより、誘電エラストマートランスデューサーＡ５を複数の方向に駆動させることができる。

図２２は、本発明に係る誘電エラストマー発電装置の一例を示している。本実施形態の誘電エラストマー発電装置Ｃ１は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１、制御部８１及び蓄電部８２を備えており、誘電エラストマー機能要素１の伸縮によって発電する装置である。

誘電エラストマー発電装置Ｃ１には、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の他、本発明によって提供される様々な形態の誘電エラストマートランスデューサーを用いることができる。

制御部８１は、誘電エラストマー機能要素１の電極層３及び電極層４への初期電圧の印加および電極層３及び電極層４からの出力電力を適宜制御する。また、制御部８１は、当該印加および入力に際し、必要となるスイッチ（図示略）の切り替え制御を行う。このような制御部８１は、たとえば、初期電荷を生じる電源部、出力電力を利用に適した電圧に変圧する等の機能を果たす変電部、電源部および変電部を制御するＣＰＵ、を含む。

蓄電部８２は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１から出力された電力が入力されるものであり、誘電エラストマー発電装置Ｃ１における蓄電手段である。蓄電部８２の構成は特に限定されず、誘電エラストマートランスデューサーＡ１から発電される電力を適切に蓄電可能な蓄電容量を備えたものであればよい。蓄電部８２を構成する所謂二次電池としては、たとえばニッケル水素電池やリチウムイオン電池が挙げられる。また、蓄電部８２は、入力電圧を二次電池に適した電圧に降下させる降圧回路を備えていてもよい。

誘電エラストマー発電装置Ｃ１における発電は、まず、誘電エラストマー機能要素１が伸長した状態でに初期電圧を印加する。次いで、外力の除外もしくは作用により、誘電エラストマー機能要素１が伸縮すると、コンデンサとしての誘電エラストマー機能要素１の静電容量が小さくなる。これに伴い、誘電エラストマー機能要素１での電圧が初期電圧よりも高められる。この、初期電圧よりも高められた電圧に相当する電力が、誘電エラストマー発電装置Ｃ１における発電によって得られる電力である。

本実施形態から理解されるように、本発明の誘電エラストマートランスデューサーの用途は、駆動に限定されず、発電に用いてもよい。

図２３は、本発明に係る誘電エラストマーセンサ装置の一例を示している。本実施形態の誘電エラストマーセンサ装置Ｄ１は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１、発振駆動部９００、中間回路９１０及び判定回路９２０を備えており、誘電エラストマー機能要素１の伸縮（変形）によって対象物の動作等を検出する装置である。

誘電エラストマートランスデューサーＡ１および発振駆動部９００は、発振回路を構成しており、交流電気信号を出力する。誘電エラストマー機能要素１は、可変コンデンサと見做して使用される。発振駆動部９００は、たとえば交流電気信号を発生させるための電源や可変コンデンサとしての誘電エラストマー機能要素１とともに、従来公知のＣＲ発振回路、ＬＣ発振回路、タイマＩＣを用いた発振回路等を構成するものである。誘電エラストマー機能要素１の静電容量の変化に伴い、出力される交流電気信号の周波数が変化する。

判定回路９２０は、上記発振回路の出力信号に基づき、誘電エラストマー機能要素１の静電容量の変化を判定するものである。判定回路９２０の構成は、特に限定されず、上記発振回路の出力信号と静電容量との関係を従来公知の種々の手法に基づいて判定可能なものであればよい。判定回路９２０の具体的構成は、後述する中間回路９１０のように、上記発振回路からの出力信号を適宜処理する回路の有無やその構成に応じて適切に選択される。判定回路９２０としては、マイコン、Ａ／Ｄ変換ＩＣ、コンパレータ、オシロスコープ等が例示される。図示された例においては、上記発振回路の出力信号が一方の極性において周期的に変動する電気信号（以下、直流電気信号）に変換された場合に、この直流電気信号の周波数から誘電エラストマー機能要素１の静電容量の変化を判定する回路である。すなわち、誘電エラストマー機能要素１の初期静電容量に相当する周波数から、上記発振回路の出力信号としての直流電気信号の周波数が変化した場合に、誘電エラストマー機能要素１の静電容量Ｃが変化したと判定する。当該判定には、閾値等の判定基準を適宜採用してもよい。

中間回路９１０は、上記発振回路の出力信号を判定回路９２０による判定に適したものに処理するものである。判定回路９２０が上記発振回路の出力信号を直接判定可能な構成の場合には、中間回路９１０を省略してもよいが、上記発振回路の出力信号である交流電気信号の周波数と静電容量Ｃとの関係を適切に判定するには、フィルター回路９０２を含む中間回路９１０を備えることが好ましく、現実的である。図示された例においては、中間回路９１０は、交流増幅回路９０１、フィルター回路９０２、検波回路９０３および直流増幅回路９０４を備えており、上記発振回路の出力信号を交流電気信号から直流電気信号に変換する構成である。

交流増幅回路９０１は、上記発振回路からの交流電気信号を増幅させることにより、ダイナミックレンジを広げるものである。上記発振回路からの交流電気信号の信号レベルが十分である場合、交流増幅回路９０１を省略してもよい。交流増幅回路９０１は特に限定されず、たとえばトランジスター、ＦＥＴ、オペアンプ等が例示される。

フィルター回路９０２は、上記発振回路の交流電気信号に含まれる所望の周波数帯の信号を通過させ、不要である周波数帯の信号を減衰あるいは遮断するものである。フィルター回路９０２は特に限定されず、たとえばハイパスフィルター、ローパスフィルター、バンドパスフィルター、バンドエルミネータフィルター等が例示される。図示された例においては、ハイパスフィルターが採用された場合を示している。なお、フィルター回路９０２具体的構成は、検波回路９０３から出力される直流電圧の変化幅に応じて選択される。

検波回路９０３は、フィルター回路９０２から出力される交流電気信号としての上記発振回路の出力信号を直流に変換するものである。検波回路９０３は特に限定されず、たとえばダイオードを用いた半坡整流回路または全波整流回路が例示される。誘電エラストマー機能要素１の静電容量の判定の高速化には、応答特性が良好である構成の検波回路９０３を用いることが好ましい。

直流増幅回路９０４は、検波回路９０３から出力される直流電気信号としての上記発振回路の出力信号を判定回路９２０での判定に適した信号レベルに増幅されるものである。なお、検波回路９０３からの直流電気信号のレベルが十分である場合、直流増幅回路９０４を省略してもよい。

本実施形態から理解されるように、本発明の誘電エラストマートランスデューサーの用途は、駆動に限定されず、センサに用いてもよい。

本発明に係る誘電エラストマー動作装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る誘電エラストマー動作装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１～Ａ５：誘電エラストマートランスデューサー
Ｂ１，Ｂ３：誘電エラストマー駆動装置
Ｃ１ ：誘電エラストマー発電装置
Ｄ１ ：誘電エラストマーセンサ装置
１ ：誘電エラストマー機能要素
２ ：誘電エラストマー層
３ ：電極層
４ ：電極層
５ ：支持体
６ ：張力維持体
７ ：電源部
１１ ：機能部
１２ ：無電極部
２９ ：接合材
３１ ：印加部
３２ ：連結部
３３ ：接続部
４１ ：印加部
４２ ：連結部
４３ ：接続部
５１ ：外周面
５２ ：貫通孔
５３ ：凹部
５４ ：貫通孔
７１，７２，７３：配線
７５ ：金属膜

Claims (2)

1. 誘電エラストマー層および当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を有する誘電エラストマー機能要素を備える誘電エラストマートランスデューサーであって、
   前記誘電エラストマー機能要素を支持する支持体をさらに備えており、
   前記各電極層は、１以上の印加領域を有しており、
   前記誘電エラストマー機能要素は、前記一対の電極層の前記印加領域が重なった１以上の機能部を有しており、
   前記機能部は、前記支持体から離間しており、
   前記誘電エラストマー機能要素は、前記電極層が設けられていない１以上の無電極部を有しており、
   前記無電極部は、前記支持体に固定されており、
   前記誘電エラストマー機能要素は、少なくとも前記機能部が一重となる筒状とされており、
   前記誘電エラストマー機能要素は、軸方向に互いに離間した複数の前記機能部を有し、
   前記電極層は、前記複数の印加領域同士を連結する連結部を有しており、
   前記連結部は、前記支持体に固定されておらず、
   一方の前記電極層の前記連結部は、他方の前記電極層と重なっておらず、
   前記軸方向において互いに隣り合う前記機能部の間において、前記誘電エラストマー機能要素のうち前記径方向内側に位置する前記電極層が設けられていない領域であって前記径方向外側に位置する前記電極層の前記連結部が設けられた領域の前記誘電エラストマー層が、前記支持体に固定されており、
   前記軸方向において互いに隣り合う前記機能部の間において、前記誘電エラストマー機能要素のうち前記径方向内側に位置する前記電極層の前記連結部から径方向内方に凹むように、前記支持体に凹部が形成されていることを特徴とする、誘電エラストマートランスデューサー。
2. 請求項１に記載の誘電エラストマートランスデューサーと、
   前記誘電エラストマートランスデューサーに電圧を印加するための電源部と、
   を備えることを特徴とする、誘電エラストマー駆動装置。

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