JP7046691B2 - 人体支持装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気等の流体を流動させる機能を備えた人体支持装置に関する。

車両用シートやベッドに代表される人体支持具は、人体を安全に支持することや快適に支持することが求められる。人体をより快適に支持する方策として、人体支持具を換気する機能を付与することが挙げられる。特許文献１は、従来の人体支持装置の一例を開示している。同文献に開示された人体支持装置は、人体支持具としてのシート、送風機およびダクトを備える。送風機は、シートに内蔵されており、所定風量の送風を行う。ダクトは、送風機に連結されており、シートの表皮やクッションの適所に接続されている。送風機から送風がなされると、ダクトを通じてシートの表皮やクッションを空気が通過する。これにより、シートと人体の接触箇所において湿気が溜まることを抑制し、より快適に人体を支持することができる。

特開２０１７－１７７８５３号公報

しかしながら、同文献の送風機は、たとえばモータと当該モータによって回転されるファンとによって構成されたものが一般的に採用される。このような送風機は、金属部品を多く含むため、小型化や軽量化を図ることが困難である。このため、送風機を内蔵するシートの重量が重くなったり、シート形状に制約が生じる等の問題があった。

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、軽量化や形状の自由度向上を図ることが可能な人体支持装置を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される人体支持装置は、人体支持具と、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含む誘電エラストマーアクチュエータ部と、前記誘電エラストマーアクチュエータ部を振動させる駆動電圧を、前記一対の電極層に印加する制御部と、前記誘電エラストマーアクチュエータ部が、振動における一方側に移動するときのみ流体の通過を許容する弁部と、前記弁部に繋がる管部と、を備え、前記管部が前記人体支持具に接続され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、前記制御部は、前記誘電エラストマーアクチュエータ部に、流体交換機能を発揮させる吸排駆動電圧と、前記誘電エラストマーアクチュエータ部に、前記流体交換機能よりも最大加速度が大きい振動を生じる振動発生機能を発揮させる加振駆動電圧と、を出力する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記吸排駆動電圧は、正弦波様の波形であり、前記加振駆動電圧は、矩形波様の波形である。

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アクチュエータ部は、２つの前記誘電エラストマー層と、前記２つの誘電エラストマー層を各別に挟む二対の前記電極層と、を有しており、前記吸排駆動電圧が、一方の前記一対の電極層に印加され、前記加振駆動電圧が、他方の前記一対の電極層に印加される。

本発明によれば、人体支持装置の軽量化や形状の自由度向上を図ることができる。

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実施形態に係る人体支持装置を示す全体斜視図および要部断面図である。 本発明の第１実施形態に係る人体支持装置の誘電エラストマーアクチュエータ部を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る人体支持装置の動作例を示す要部断面図である。 本発明の第１実施形態に係る人体支持装置の動作例を示す要部断面図である。 本発明の第２実施形態に係る人体支持装置を示す要部断面図である。 本発明の第３実施形態に係る人体支持装置を示す全体斜視図および要部断面図である。 本発明の第４実施形態に係る人体支持装置を示す要部断面図である。

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。

本発明の人体支持具は、人体を支持するものであり、代表例として、着座姿勢の人体を支持するシートや、横臥姿勢の人体を支持するベッドが挙げられるが、これらに限定されない。以下の説明においては、人体支持具として車両に設けられるシートが採用された場合を例に説明する。

本発明で扱われる流体は、気体や液体等の流動しうる物体を指す。以下の説明においては、流体として気体の代表例である空気が選択された場合を例に説明する。

〔第１実施形態〕
図１～図４は、本発明の第１実施形態に係る人体支持装置を示している。本実施形態の人体支持装置Ａ１は、誘電エラストマーアクチュエータ部１、弁部４１，４２、吸入管部５１、排出管部５２、制御部６およびシート７を備えている。

図１は、人体支持装置Ａ１を示す全体斜視図および要部断面図である。図２は、人体支持装置Ａ１の誘電エラストマーアクチュエータ部１を下方から見た斜視図である。図３および図４は、人体支持装置Ａ１の動作例を示す要部断面図である。

シート７は、人体支持具の一例であり、着座姿勢の人体を支持する。シート７としては、車両に設けられる車両用シートや、住宅に置かれる住宅用シート等が挙げられる。図１に示された例は、シート７として車両用シートが採用された場合である。

誘電エラストマーアクチュエータ部１は、誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂ、一対の電極層１２Ａ、一対の電極層１２Ｂおよび支持体３を有する。

誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂは、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１１Ａ，１１Ｂ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が挙げられる。本実施形態においては、誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂは、誘電エラストマーアクチュエータ部１の構成要素として形成される前の外力等が加えられていない状態において平面視円環形状であり、図２に示すように、誘電エラストマーアクチュエータ部１において、軸方向に並んで配置された円錐台形状に伸長されている。

一対の電極層１２Ａは、誘電エラストマー層１１Ａを挟んでおり、一対の電極層１２Ｂは、誘電エラストマー層１１Ｂを挟んでいる。電極層１２Ａ，１２Ｂは、導電性を有するとともに、誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂ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。

支持体３は、誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂを所望の弾性力が生じた状態で支持するものであり、本実施形態においては、誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂのそれぞれを円錐台形状に伸長させた状態で支持している。図示された例においては、支持体３は、筐体３１および中間板部３２を有する。筐体３１は、誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂ、一対の電極層１２Ａ、一対の電極層１２Ｂ、中間板部３２、弁部４１，４２を収容している。また、筐体３１には、誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂの外端縁が固定されている。中間板部３２は、誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂの内端縁が固定されている。図１に示すように、筐体３１および中間板部３２には、それぞれ開口が形成されている。

弁部４１，４２は、誘電エラストマーアクチュエータ部１が、振動における一方側に移動するときのみ流体である空気の通過を許容する。弁部４１，４２の具体的構造は特に限定されず、たとえば逆止弁が用いられる。逆止弁の方式としては、いわゆるスイング式、ボール式等の種々の方式が適宜選択され、図示された例においては、スイング式の逆止弁が記載されている。

弁部４１は、中間板部３２の開口を塞ぐように設けられている。弁部４１は、誘電エラストマーアクチュエータ部１の振動において、中間板部３２が図１における上側に移動するときのみ、流体（空気）の通過を許容する。弁部４２は、筐体３１の図中上方の開口を塞ぐように設けられている。弁部４２は、誘電エラストマーアクチュエータ部１の振動において中間板部３２が図１における下側に移動するときのみ、流体（空気）の通過を許容する。なお、図示された例とは異なり、弁部４１，４２は、外部信号による指令によって開閉が制御されるものであってもよい。

吸入管部５１および排出管部５２は、本発明の管部の一例である。吸入管部５１は、誘電エラストマーアクチュエータ部１の吸入側に接続された管状部材である。排出管部５２は、誘電エラストマーアクチュエータ部１の排出側に接続された管状部材である。本実施形態においては、吸入管部５１は、シート７に接続されている。吸入管部５１がシート７に接続されているとは、吸入管部５１によって空気が吸入される（吸気される）ことにより、シート７の表皮やクッション等の所望の部位から空気が吸引され、シート７の少なくとも一部において流体の交換（本実施形態の場合、換気）が行われる構成をいう。

制御部６は、誘電エラストマーアクチュエータ部１を振動させる駆動電圧を、１対の電極層１２Ａおよび一対の電極層１２Ｂに印加するものである。このような制御部６の具体的構成は特に限定されず、所定の電源部やＣＰＵ等からなる指令部等を有する。図３および図４に示すように、本実施形態においては、制御部６は、一対の電極層１２Ａに吸排駆動電圧Ｖａを印加し、一対の電極層１２Ｂに吸排駆動電圧Ｖｂを印加する。吸排駆動電圧Ｖａおよび吸排駆動電圧Ｖｂの時間軸波形は特に限定されず、図示された例においては、たとえば正弦波様の波形が採用されている。また、吸排駆動電圧Ｖａと吸排駆動電圧Ｖｂとは、互いに位相が反転された関係である。吸排駆動電圧Ｖａおよび吸排駆動電圧Ｖｂの周波数は特に限定されないが、流体交換機能の作動を人体が感じることを抑制する観点から、たとえば１０～２０Ｈｚ程度が好ましい。

次に、図３および図４を参照しつつ、人体支持装置Ａ１の動作例について説明する。

図３においては、吸排駆動電圧Ｖａによって一対の電極層１２Ａの電位差が大きくなり、吸排駆動電圧Ｖｂによって一対の電極層１２Ｂの電位差が小さくなった状態である。この場合、一対の電極層１２Ａには、互いに引き合うクーロン力が作用する。このため、誘電エラストマー層１１Ａの厚さが薄くなり、これに伴って誘電エラストマー層１１Ａの面積が拡大する。この結果、誘電エラストマー層１１Ａが軸方向に伸長し、誘電エラストマー層１１Ｂが軸方向に収縮する。これにより、中間板部３２が下降する。この際、弁部４１は、閉状態であり、弁部４２は、開状態である。したがって、筐体３１内において、中間板部３２よりも下方にある空気の一部が排出管部５２から排出される。また、吸入管部５１を通じて、筐体３１内に空気が吸入される。これは、吸排気工程といえる。

一方、図４においては、吸排駆動電圧Ｖａによって一対の電極層１２Ａの電位差が小さくなり、吸排駆動電圧Ｖｂによって一対の電極層１２Ｂの電位差が大きくなった状態である。この場合、誘電エラストマー層１１Ｂが軸方向に伸長し、誘電エラストマー層１１Ａが軸方向に収縮する。これにより、中間板部３２が上昇する。この際、弁部４１は、開状態であり、弁部４２は、閉状態である。したがって、筐体３１内においては、空気の顕著な移動は生じず、中間板部３２が上昇する。これは、復帰工程といえる。

吸排駆動電圧Ｖａと吸排駆動電圧Ｖｂが、互いに位相反転された正弦波様の波形であることから、上述した吸排気工程と復帰工程とが半周期ごとに交互に繰り返される。この結果、誘電エラストマーアクチュエータ部１は、吸入管部５１からの吸入（吸気）と排出管部５２からの排出（排気）とを行う、流体交換機能を果たす。本実施形態においては、吸入管部５１からの吸入（吸気）により、シート７の表皮やクッション等の所望の部位から空気が吸引される。これにより、シート７の表皮やクッション等において流体の交換である換気（ベンチレーション）が行われる。

次に、人体支持装置Ａ１の作用について説明する。

本実施形態によれば、シート７における流体の交換（換気）は、誘電エラストマーアクチュエータ部１の誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂの振動によって実行される。誘電エラ誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂは、主に軟質な弾性体によって形成されている。このため、誘電エラストマーアクチュエータ部１は、振動を発生するために金属等からなる構造物を必要としない。これにより、誘電エラストマーアクチュエータ部１の軽量化を図ることができる。また、誘電エラストマーアクチュエータ部１は、モータ等と比べて小型化に有利であり、シート７の形状をより自由に設定することが可能である。したがって、人体支持装置Ａ１によれば、軽量化や形状の自由度向上を図ることができる。さらに、誘電エラストマーアクチュエータ部１による振動においては、たとえば機械部品の往復動や回転動を必要としない。これにより、動作騒音の低減を図ることができる。

吸排駆動電圧Ｖａおよび吸排駆動電圧Ｖｂを正弦波様の波形とすることにより、誘電エラストマーアクチュエータ部１の流体交換機能をより効率よく発揮させるとともに、流体交換機能の作動振動を人体が感じ取ることを抑制することができる。特に、吸排駆動電圧Ｖａおよび吸排駆動電圧Ｖｂの周波数を１０～２０Ｈｚ程度とすることは、人体が感じ取ることをより抑制するのに好ましい。

図５～図７は、本発明の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。

〔第２実施形態〕
図５は、本発明の第２実施形態に係る人体支持装置を示している。本実施形態の人体支持装置Ａ２は、吸入管部５１Ａ、排出管部５１Ｂ、吸入管部５２Ａおよび排出管部５２Ｂと、弁部４３、弁部４４、弁部４５および弁部４６と、を備えている。

本実施形態の筐体３１には、上下２箇所ずつの開口が設けられている。吸入管部５１Ａは、筐体３１の上方の一方の開口に繋がっている。排出管部５１Ｂは、筐体３１の上方の他方の開口に繋がっている。吸入管部５２Ａは、筐体３１の下方の一方の開口に繋がっている。排出管部５２Ｂは、筐体３１の下方の他方の開口に繋がっている。なお、本実施形態においては、中間板部３２には、開口は設けられていない。このため、筐体３１内は、誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂおよび中間板部３２によって密閉状態で区画されている。

弁部４３は、吸入管部５１Ａに繋がっており、図中下方のみへの空気の移動を許容する。弁部４４は、排出管部５１Ｂに繋がっており、図中上方のみへの空気の移動を許容する。弁部４５は、吸入管部５２Ａに繋がっており、図中上方のみへの空気の移動を許容する。弁部４６は、排出管部５２Ｂに繋がっており、図中下方のみへの空気の移動を許容する。

本実施形態においては、制御部６からの吸排駆動電圧Ｖａおよび吸排駆動電圧Ｖｂの印加により、誘電エラストマーアクチュエータ部１の誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂが図中上下方向に振動すると、中間板部３２が上方に移動するときには、弁部４４を通じて吸入管部５２Ａへと排気され、弁部４５を通じて排出管部５１Ｂから吸気される。一方、中間板部３２が下方に移動するときには、弁部４３を通じて吸入管部５１Ａから吸気され、弁部４６を通じて排出管部５２Ｂへと排気される。

本実施形態によっても、軽量化や形状の自由度向上を図ることができる。また、本実施形態によれば、誘電エラストマーアクチュエータ部１（誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂ）の振動において、半周期ごとに吸気および排気が繰り返し行われる。このため、人体支持装置Ａ１における復元工程が存在せず、半周期ごとに吸排気工程を繰り返し行うことができる。これは、流体交換の効率を高めるのに適している。

〔第３実施形態〕
図６は、本発明の第３実施形態に係る人体支持装置を示している。本実施形態の人体支持装置Ａ３は、人体支持装置Ａ１と同様の構成の誘電エラストマーアクチュエータ部１に、吸排駆動電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂと、加振駆動電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂとが、制御部６から印加される。また、本実施形態においては、シート７に複数の誘電エラストマーアクチュエータ部１が設けられている。たとえば、座面に複数の誘電エラストマーアクチュエータ部１が内蔵されている。また、背もたれに複数の誘電エラストマーアクチュエータ部１が内蔵されている。

吸排駆動電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂは、上述の吸排駆動電圧Ｖａ，Ｖｂと同様のたとえば周波数が１０～２０Ｈｚ程度の正弦波様の波形である。加振駆動電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂは、印加によって生じる誘電エラストマーアクチュエータ部１（誘電エラストマー層１１Ａ，１１Ｂ）の振動の最大加速度が、吸排駆動電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂの印加による振動の最大加速度よりも大きくなるものである。このような加振駆動電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂとしては、たとえば周波数が吸排駆動電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂの周波数以上である矩形波様の波形が挙げられる。加振駆動電圧Ｖ２ａと加振駆動電圧Ｖ２ｂとは、互いに位相が反転された関係である。

本実施形態においては、制御部６は、誘電エラストマーアクチュエータ部１に流体交換機能を発揮させる場合、一対の電極層１２Ａに吸排駆動電圧Ｖ１ａを印加し、一対の電極層１２Ｂに吸排駆動電圧Ｖ１ｂを印加する。これにより、人体支持装置Ａ１と同様の流体交換機能が発揮されシート７における換気が実行される。

一方、制御部６は、誘電エラストマーアクチュエータ部１に振動発生機能を発揮させる場合、一対の電極層１２Ａに加振駆動電圧Ｖ２ａを印加し、一対の電極層１２Ｂに加振駆動電圧Ｖ２ｂを印加する。なお、本発明における振動発生機能とは、誘電エラストマーアクチュエータ部１を内蔵する人体支持具であるシート７の表面等に、人体が感じうる振動を発生させる機能をいう。すなわち、加振駆動電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂの印加により、誘電エラストマーアクチュエータ部１の振動発生機能が発揮されると、誘電エラストマーアクチュエータ部１の振動が伝達され、シート７の所定箇所に人体が感じうる振動が発生する。

本実施形態によっても、軽量化や形状の自由度向上を図ることができる。また、本実施形態によれば、誘電エラストマーアクチュエータ部１は、シート７の換気を実現しうる流体交換機能に加えて、シート７の所定箇所を振動させる振動発生機能を発揮することができる。振動発生機能を用いることにより、たとえば、人体支持装置Ａ３は、車両の制御システム等が発する警告等を制御部６を通して所定の振動として人体に伝えることができる。あるいは、加振駆動電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂの波形や強さを設定することにより、人体の緊張を緩和させるいわゆるマッサージ機能を果たすこともできる。また、シート７の適所に複数の誘電エラストマーアクチュエータ部１が内蔵されていることにより、シート７の各所において振動発生機能を発揮させることが可能である。これは、人体の所望の箇所にマッサージを施すのに適している。

加振駆動電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂを矩形波様の波形とすることにより、シート７の所定箇所に生じる振動を、人体がより感じやすい振動とすることができる。

〔第４実施形態〕
図７は、本発明の第４実施形態に係る人体支持装置を示している。本実施形態の人体支持装置Ａ４は、一対の誘電エラストマー層１１Ａ、一対の誘電エラストマー層１１Ｂ、二対の電極層１２Ａ、二対の電極層１２Ｂを備えている。

各誘電エラストマー層１１Ｂは、軸方向視において各誘電エラストマー層１１Ａの内側に配置されている。また、本実施形態においては、支持体３は、２つの連結環状部３３を有している。各連結環状部３３は、細い円環形状であり、誘電エラストマー層１１Ａの内端縁と誘電エラストマー層１１Ｂの外端縁とが固定されている。中間板部３２および弁部４１，４２の構成は、上述した人体支持装置Ａ１と略同様である。

本実施形態においては、制御部６は、二対の電極層１２Ａに吸排駆動電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂを印加し、二対の電極層１２Ｂに加振駆動電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂを印加する。たとえば、誘電エラストマーアクチュエータ部１に流体交換機能を発揮させたい場合、制御部６は、二対の電極層１２Ａに吸排駆動電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂを印加する。これにより、一対の誘電エラストマー層１１Ａが吸排気に適した態様で振動し、流体交換機能が発揮される。一方、誘電エラストマーアクチュエータ部１に振動発生機能を発揮させたい場合、制御部６は、二対の電極層１２Ｂに加振駆動電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂを印加する。これにより、一対の誘電エラストマー層１１Ｂが、流体交換機能の際よりも大きい最大加速度で振動し、振動発生機能が発揮される。

このような実施形態によっても、軽量化や形状の自由度向上を図ることができる。また、本実施形態によれば、誘電エラストマー層１１Ａが流体交換機能を担い、誘電エラストマー層１１Ｂが振動発生機能を担う。このため、誘電エラストマー層１１Ａおよび誘電エラストマー層１１Ｂを、それぞれが担うべき機能に適した材質や厚さ等とすることが可能である。また、時間軸において、流体交換機能と振動発生機能とを重ねて発揮させることも可能である。

本発明に係る人体支持装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る人体支持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～Ａ４：人体支持装置
１ ：誘電エラストマーアクチュエータ部
３ ：支持体
６ ：制御部
７ ：シート
１１Ａ，１１Ｂ：誘電エラストマー層
１２Ａ，１２Ｂ：電極層
３１ ：筐体
３２ ：中間板部
３３ ：連結環状部
４１，４２，４３，４４，４５，４６：弁部
５１，５１Ａ，５２Ａ：吸入管部
５１Ｂ，５２，５２Ｂ：排出管部
Ｖａ，Ｖｂ，Ｖ１ａ，Ｖ１ｂ：吸排駆動電圧
Ｖ２ａ，Ｖ２ｂ：加振駆動電圧

Claims (3)

1. 人体支持具と、
   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含む誘電エラストマーアクチュエータ部と、
   前記誘電エラストマーアクチュエータ部を振動させる駆動電圧を、前記一対の電極層に印加する制御部と、
   前記誘電エラストマーアクチュエータ部が振動における一方側に移動するときのみ、流体の通過を許容する弁部と、
   前記弁部に繋がる管部と、を備え、
   前記管部が前記人体支持具に接続されており、
   前記制御部は、前記駆動電圧として、
   前記誘電エラストマーアクチュエータ部に、流体交換機能を発揮させる吸排駆動電圧と、
   前記誘電エラストマーアクチュエータ部に、前記流体交換機能よりも最大加速度が大きい振動を生じる振動発生機能を発揮させる加振駆動電圧と、
   を出力することを特徴とする、人体支持装置。
2. 前記吸排駆動電圧は、正弦波様の波形であり、
   前記加振駆動電圧は、矩形波様の波形である、請求項１に記載の人体支持装置。
3. 前記誘電エラストマーアクチュエータ部は、一対の第１誘電エラストマー層および一対の第２誘電エラストマー層を含む二対の前記誘電エラストマー層と、前記一対の第１誘電エラストマー層を各別に挟む二対の第１電極層および前記一対の第２誘電エラストマー層を各別に挟む二対の第２電極層を含む四対の前記電極層と、を有しており、
   前記吸排駆動電圧が、前記二対の第１電極層に印加され、
   前記加振駆動電圧が、前記二対の第２電極層に印加される、請求項１または２に記載の人体支持装置。

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