JP7185270B2 - 曲げ駆動装置 - Google Patents

Description

本開示は、曲げ駆動装置に関する。

特開２００６－２０４６１２号公報（以下、特許文献１）はバルーンアクチュエータを開示している。バルーンアクチュエータは、バルーンの膨張を、下側の膜と上側の膜との伸びの違いによる曲げ運動に変換する曲げ駆動装置である。

特開２００６－２０４６１２号公報

バルーンアクチュエータは、生体組織の取り扱いに用いられることが想定されている。特に、特許文献１に開示されているバルーンアクチュエータは、比較的小さな組織の取り扱いに用いられることが想定されている。このようなバルーンアクチュエータを、重量のある組織を押し上げるなどの動作にも用いたいという要望がある。

しかしながら、特許文献１に開示されているバルーンアクチュエータは、バルーン内圧によって下側の膜と上側の膜との両側の伸びの差分で曲げ運動が生じるため、両側の膜が伸びる分、バルーンの膨張の曲げ運動への変換効率が落ちる。その結果、バルーン内圧が同じでも曲げ駆動装置の出力が小さくなる。そのため、バルーンの膨張の曲げ運動への変換効率を高め、曲げ駆動装置の曲げ動作の出力を高めることが求められる。

ある実施の形態に従うと、曲げ駆動装置は、内部空間に供給された流体の流体圧によって表面の膜体が伸びつつ膨張し、その伸びによって生じた引っ張り応力によって曲がり運動を行う曲げ駆動装置であって、膜体は、流体圧によって伸びが生じる第１膜体と、流体圧による伸びが第１膜体よりも小さく、膨張が小さくなるように構成され、第１膜体との間に内部空間を構成するように第１膜体の第１の面に対して接合された第２膜体と、を含み、第１膜体の第１の面の反対側の第２の面側に積層され、第２の面に対して、第２の面内に設定された第１の方向において内部空間を挟む２つの接合位置で接合された非伸縮性のシートをさらに備える。

図１は、第１の例に係る曲げ駆動装置の概略図である。 図２は、第２の例に係る曲げ駆動装置の概略図である。 図３は、第２の例に係る曲げ駆動装置を例として曲がり運動の原理を説明するための図である。 図４は、第１の例に係る曲げ駆動装置を例として、端部が固定された場合の曲がり運動の原理を説明するための図である。 図５は、発明者の製作した第２の例に係る曲げ駆動装置での曲がり運動の様子を表した図である。 図６は、曲げ駆動装置の変位と発生力との対応関係を表した図である。 図７は、曲げ駆動装置の内部空間の膨張量と膜体の引張強さとの関係、及び、内部空間の圧力と膜体の接着強度との関係を表した図である。 図８は、曲げ駆動装置の第１膜体を製造する工程を表した図である。 図９は、曲げ駆動装置の第２膜体を製造し、第１膜体と接合する工程を表した図である。 図１０は、曲げ駆動装置の膜体にシートを接合する工程を表した図である。 図１１は、特許文献１のバルーンアクチュエータの曲げ駆動を説明するための図である。

［１．曲げ駆動装置の概要］

（１）本実施の形態に含まれる曲げ駆動装置は、内部空間に供給された流体の流体圧によって表面の膜体が伸びつつ膨張し、その伸びによって生じた引っ張り応力によって曲がり運動を行う曲げ駆動装置であって、膜体は、流体圧によって伸びが生じる第１膜体と、流体圧による伸びが第１膜体よりも小さく、膨張が小さくなるように構成され、第１膜体との間に内部空間を構成するように第１膜体の第１の面に対して接合された第２膜体と、を含み、第１膜体の第１の面の反対側の第２の面側に積層され、第２の面に対して、第２の面内に設定された第１の方向において内部空間を挟む第１接合位置及び第２接合位置で接合された非伸縮性のシートをさらに備える。膨張量の多い側の膜体（第１膜体）側に非伸縮性のシートを配することによって、シートは第１膜体の膨張によって膨張方向に持ち上げられる。そのため、シートに引っ張り応力が生じる。シートに生じる引っ張り応力によって第２膜体にたわみが発生する。第２膜体に生じたたわみによって、第１膜体の膨張方向への曲がり運動が生じる。これにより、内部空間の膨張の曲がり運動への変換効率を向上させることができる。その結果、曲げ動作の出力を高めることができる。

（２）好ましくは、第１膜体の膨張によってシートに生じる引っ張り応力によって第２膜体にたわみを発生させて、たわみによる第１膜体の膨張方向への曲がり運動を生じさせる。これにより、内部空間の膨張の曲がり運動への変換効率を向上させることができる。その結果、曲げ動作の出力を高めることができる。

（３）好ましくは、第１膜体及び第２膜体の第１の方向の端部は固定されており、第２膜体は、第１膜体側とは逆側の面に第１の補強部を有し、第１の補強部は、少なくとも端部から第１接合位置及び第２接合位置のうちの近い側の接合位置までの範囲に設けられている。端部が固定されていることによって、逆側の端部付近のに第１膜体と第２膜体との接触面積部分に分布して内部空間の膨張によるシートの押上げ力が荷重として作用し、逆側の端部が第１膜体の膨張方向へ向かう曲がり運動が生じる。また、少なくとも端部から近い側の接合位置までの範囲に第１の補強部が配されていることで、曲がり運動による負担が端部に集中して変形等が生じることを防止できる。

（４）好ましくは、第１膜体のヤング率Ｅ１、第２膜体のヤング率Ｅ２、及び、シートのヤング率Ｅ３がＥ２＞Ｅ３＞Ｅ１の関係を満たす。第１膜体、第２膜体、及び、シートの断面二次モーメントＩが共通の場合、曲げ剛性ＥＩはヤング率Ｅに比例する。そのため、Ｅ２＞Ｅ１より、第２膜体の方が第１膜体より曲げ剛性が高い。このため、内部空間の空気圧による変形は、第１膜体の方が第２膜体よりも大きい。これにより、内部空間の膨張が効率的にシートに伝搬する。また、Ｅ２＞Ｅ３より、シートの押上げ力をより効率的に曲がり運動に変換することができる。

（５）好ましくは、第１膜体のヤング率Ｅ１、第２膜体のヤング率Ｅ２、及び、シートのヤング率Ｅ３がＥ３＞Ｅ２＞Ｅ１の関係を満たす。Ｅ３＞Ｅ２＞Ｅ１の関係より変形率（伸び）１／Ｅは１／Ｅ１＞１／Ｅ２＞１／Ｅ３の関係を満たす。つまり、第１膜体の方が第２膜体より伸びが大きい。このため、内部空間の空気圧による膨張は、第１膜体の方が第２膜体よりも大きい。これにより、内部空間の膨張が効率的にシートに伝搬する。また、第２膜体の方がシートより伸びが大きい。このため、シートの押上げ力をより効率的に曲がり運動に変換することができる。

（６）好ましくは、第１膜体の厚みＨ１、第２膜体の厚みＨ２、及び、シートの厚みＨ３がＨ２＞Ｈ３＞Ｈ１の関係を満たす。第１膜体、第２膜体、及び、シートのヤング率Ｅが共通の場合、曲げ剛性ＥＩは断面二次モーメントＩに比例する。断面二次モーメントＩは、厚みＨの三乗に比例する。そのため、Ｈ２＞Ｈ１より、第２膜体の方が第１膜体より曲げ剛性が高い。このため、内部空間の空気圧による変形は、第１膜体の方が第２膜体よりも大きい。これにより、内部空間の膨張が効率的にシートに伝搬する。また、Ｈ２＞Ｈ３より、シートの押上げ力をより効率的に曲がり運動に変換することができる。

（７）好ましくは、内部空間は第１の方向に並ぶ複数の内部空間を構成している。

（８）好ましくは、シートは、第１接合位置及び第２接合位置に加えて、複数の内部空間の間の第３接合位置で第２の面に対して接合されている。これにより、複数の内部空間外周の第１膜体１とシートとの接触面積が増加する。その結果、複数の内部空間の膨張によってシートを持ち上げる力のシートへの伝搬のロスが抑えられる。

（９）好ましくは、第２膜体は、第１膜体側とは逆側の面に第２の補強部をさらに有し、第２の補強部は第３接合位置に設けられている。これにより、複数の内部空間の間の剛性が低下する箇所が補強される。曲がり運動による負担が複数の内部空間の間の剛性が低下する箇所に集中して変形等が生じることを防止できる。

［２．曲げ駆動装置の例］

［２．１曲げ駆動装置の全体構成］

曲げ駆動装置１は、内部空間に供給された流体（例えば空気）の流体圧によって、バルーン状に表面の膜体が伸びつつ膨張し、その伸びによって生じた引っ張り応力によって曲がり運動を行う装置である。なお、図１に示された第１の例に係る曲げ駆動装置１Ａ及び図２に示された第２の例に係る曲げ駆動装置１Ｂを代表させて、曲げ駆動装置１と称する。

図１に示されるように、第１の例に係る曲げ駆動装置１Ａは、内部空間１３を有する膜体１０を備える。膜体１０は、第１膜体１１と第２膜体１２とを含む。第２膜体１２は、第１膜体１１との間に内部空間１３を構成するように、第１膜体１１の第１の面１１Ａに対して接合されている。内部空間１３は、図示しない空気流入口及び流路に接続されている。内部空間１３に対しては、給排気が可能である。

説明の簡便のために、図１に示されるように、曲げ駆動装置１Ａに対してＸＹ軸を設定する。第１膜体１１の第１の面１１Ａ、及び、第１の面１１Ａの逆側の第２の面１１Ｂ内の第１の方向をＸ軸方向とし、第１の面１１Ａ内にＸ軸を設定する。第１の面１１Ａの法線方向をＹ軸方向として、第１膜体１１及び第２膜体１２のＸ軸方向の一方の端部ＥＤ１を原点ＯとしてＹ軸を設定する。第１膜体１１及び第２膜体１２のＸ軸方向の他方の端部ＥＤ２は、Ｘの値が大きくなるようにＸ軸の向きを設定する。第１膜体１１と第２膜体１２とはＸ軸を挟んで接合されている。Ｘ軸方向のうち、Ｘの値が大きくなる向きを＋Ｘ向き、Ｘの値が小さくなる向きを－Ｘ向きという。また、Ｘの値が大きい側を＋Ｘ側、小さい側を－Ｘ側という。Ｙ軸方向のうち、Ｙの値が大きくなる向きを＋Ｙ向き、Ｙの値が小さくなる向きを－Ｙ向きという。また、Ｙの値が大きい側を＋Ｙ側、小さい側を－Ｙ側という。第１膜体１１の第１の面１１Ａは第１膜体１１の－Ｙ側の面であり、第２の面１１Ｂは第１膜体１１の＋Ｙ側の面である。

曲げ駆動装置１Ａは、さらに、第１膜体１１の第２の面１１Ｂ側に積層された非伸縮性のシート１４を備える。シート１４は、第２の面１１Ｂに対して、内部空間１３を挟む第１接合位置１４Ａ及び第２接合位置１４Ｂで接合され、接合位置１４Ａ，１４Ｂ以外は非接合である。第１接合位置１４Ａ及び第２接合位置１４Ｂが並ぶ方向がＸ軸方向（第１の方向）である。第１接合位置１４Ａは内部空間１３の－Ｘ側の位置であり、第２接合位置１４Ｂは内部空間１３の＋Ｘ側の位置である。

好ましくは、曲げ駆動装置１Ａは、端部ＥＤ１が固定端、端部ＥＤ２が自由端である。そして、好ましくは、第２膜体１２は、－Ｙ側の面、つまり、第１膜体１１に接合された面と逆側の面に設けられた第１の補強部１５Ａを有する。第１の補強部１５Ａは、一例として、第２膜体１２の－Ｙ側の面に対して接合された、第２膜体１２とは別部材である補強部材である。第１の補強部１５Ａは、端部ＥＤ１からＸ軸に沿って＋Ｘ向きに延び、少なくとも第１接合位置１４Ａまでの範囲に設けられている。好ましくは、図１に示されるように、内部空間１３の－Ｘ向きの端部１３Ｅを超える範囲まで設けられる。端部ＥＤ１付近の特に－Ｙ向きの変形を抑制する。そのため、第１の補強部１５Ａが設けられることで曲がり運動による負担が端部ＥＤ１付近に集中して変形等が生じることを防止できる。

内部空間１３はＸ軸方向に並ぶ複数の内部空間を構成してもよい。例えば、図２に示された第２の例に係る曲げ駆動装置１Ｂは、第１膜体１１と第２膜体１２との間に、Ｘ軸方向に並ぶ２つの内部空間１３Ａ，１３Ｂを有している。

この場合、シート１４は、第２の面１１Ｂに対して、Ｘ軸方向において接合位置１４Ａ，１４Ｂに加えて、さらに、内部空間１３Ａと内部空間１３Ｂとの間の第３接合位置１４Ｃで接合されていてもよい。これにより、内部空間１３Ａ，１３Ｂ外周の第１膜体１１とシート１４との接触面積が増加する。その結果、内部空間１３Ａ，１３Ｂの膨張によってシート１４を持ち上げる力のシート１４への伝搬のロスが抑えられ、内部空間１３Ａ，１３Ｂの膨張の曲がり運動への変換効率を向上させることができる。

なお、第２膜体１２は、第１の補強部１５Ａに加えて第２の補強部１５Ｂをさらに有してもよい。第２の補強部１５Ｂは、第３接合位置１４Ｃに設けられる。図２に示された曲げ駆動装置１Ｂでは、内部空間１３Ａと内部空間１３Ｂとの間の第３接合位置１４Ｃに、さらに、第２膜体１２とは別部材である補強部材である第２の補強部１５Ｂを備える。第２の補強部１５Ｂが第３接合位置１４Ｃに設けられることで、曲がり運動による負担が内部空間１３Ａと内部空間１３Ｂとの間に集中して変形等が生じることを防止できる。

なお、第１の補強部１５Ａ及び／又は第２の補強部１５Ｂは、第２膜体１２と別部材である補強部材に限定されず、第２膜体１２の一部であってもよい。例えば、第１の補強部１５Ａ及び／又は第２の補強部１５Ｂは第２膜体１２の一部であって、他の位置より厚みが厚く形成されていてもよい。

［２．２各部の材質］

第１膜体１１の材質は、内部空間１３内の空気圧によって伸びが生じるものである。そのため、第１膜体１１は内部空間１３内の空気圧によって＋Ｙ方向に膨張する。第２膜体１２の材質も、内部空間１３内の空気圧によって伸びが生じるものであるが、その伸びは第１膜体１１の伸びよりも小さい。そのため、第２膜体１２も内部空間１３内の空気圧によって－Ｙ方向に膨張するが、第１膜体１１の内部空間１３内の空気圧による膨張よりも小さい。シート１４は非伸縮性のシートである。なお、ここでの非伸縮性とは、まったく伸縮しないものに加えて、第１膜体１１及び第２膜体１２と比較して非伸縮と言える程度に伸縮が十分に小さいものも含む。つまり、若干の伸縮性を有するものが含まれてもよい。

第１膜体１１及び第２膜体１２の素材は、一例として、シリコン樹脂である。第１膜体１１の素材は、例えば、二液型ＲＴＣ（Room-Temperature Curing：室温硬化型）シリコンゴムであって、例えば、主剤と硬化剤との重量比が１０：１のＲＴＣシリコンゴムである。物性値の一例として、密度は１．０３ｇ／ｃｍ＾３、引張強さは４．３ＭＰａ、破断伸びＴ１は３５０％である。

第２膜体１２は、一例として、シリコン樹脂素材の膜と、ＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane：ポリメチルシロキサン）素材の膜との積層構造である。ＰＤＭＳ素材は、例えば、主剤と硬化剤との重量比が１０：１である。物性値の一例として、ＰＤＭＳの密度は１．０５ｇ／ｃｍ＾３、引張強さは６．７ＭＰａ、破断伸びＴ２は１４０％である。ＰＤＭＳのヤング率は０．４４ＭＰａ程度であり、ＲＴＣシリコンゴムのヤング率はＰＤＭＳのヤング率よりも大きい。

シート１４は高分子合成フィルムである。シート１４の素材は、一例として、ＰＩ（polyimide：ポリイミド）であって、例えば、厚みが５０μｍのＰＩである。物性値の一例として、密度は１．４２ｇ／ｃｍ＾３、引張強さは３００ＭＰａ、破断伸びＴ３は８５％である。ヤング率Ｅ３は３３００ＭＰａである。

ＲＴＣシリコンゴムからなる第１膜体１１のヤング率Ｅ１、シリコン樹脂素材の膜とＰＤＭＳの膜との積層構造である第２膜体１２のヤング率Ｅ２、及び、シート１４のヤング率Ｅ３は、Ｅ２＞Ｅ３＞Ｅ１の関係を満たす。Ｅ２＞Ｅ１より、第２膜体１２の方が第１膜体１１より剛性が高い。このため、内部空間１３の空気圧によって第１膜体１１の方が第２膜体１２よりも変形しやすい。つまり、第２膜体１２の膨張が抑えられ、一方で、第１膜体１１が大きく膨張する。これにより、内部空間１３の膨張が効率的にシート１４に伝搬する。また、Ｅ２＞Ｅ３より、シート１４の方が第２膜体１２よりも変形しやすい。これにより、内部空間１３の膨張によってシート１４に生じた押上げ力が効率的に第２膜体１２に伝搬する。これらのことから、内部空間１３の膨張を効率的に曲がり運動に変換することができる。

なお、上記した第１膜体１１、第２膜体１２、及びシート１４の素材は一例であって、他の素材であってもよい。他の例として、第１膜体１１、第２膜体１２、及びシート１４の素材は、それぞれのヤング率がＥ３＞Ｅ２＞Ｅ１の関係を満たす素材であってもよい。Ｅ３＞Ｅ２＞Ｅ１の関係より、第１膜体１１、第２膜体１２、及びシート１４の変形率（伸び）１／Ｅは、１／Ｅ１＞１／Ｅ２＞１／Ｅ３の関係を満たす。つまり、第１膜体１１の方が第２膜体１２より伸びやすい。このため、内部空間１３の空気圧によって第１膜体１１の方が第２膜体１２よりも伸びやすい。つまり、第２膜体１２の膨張が抑えられ、一方で、第１膜体１１が大きく膨張する。これにより、内部空間１３の膨張が効率的にシート１４に伝搬する。また、シート１４の方が第２膜体１２よりも伸びやすい。これにより、内部空間１３の膨張によってシート１４に生じた押上げ力が効率的に第２膜体１２に伝搬する。これらのことから、内部空間１３の膨張を効率的に曲がり運動に変換することができる。

なお、好ましくは、第１膜体１１の厚みＨ１、第２膜体１２の厚みＨ２、及び、シート１４の厚みＨ３が、Ｈ２＞Ｈ３＞Ｈ１の関係を満たす。一例として、第１膜体１１の厚みＨ１は９０μｍ、第２膜体１２の厚みＨ２は１．２ｍｍである。第１膜体１１のヤング率Ｅ１、第２膜体１２のヤング率Ｅ２、及び、シート１４のヤング率Ｅ３が共通の場合、それぞれの曲げ剛性ＥＩは断面二次モーメントＩ（Ｉ＝ＷＨ＾３／１２（Ｗ：矩形幅、Ｈ：矩形厚み））に比例する。断面二次モーメントＩは、厚みＨの三乗に比例する。そのため、Ｈ２＞Ｈ１より、第２膜体１２の方が第１膜体１１より曲げ剛性が高い。このため、内部空間の空気圧による変形は、第１膜体１１の方が第２膜体１２よりも大きい。これにより、内部空間の膨張が効率的にシート１４に伝搬する。また、Ｈ２＞Ｈ３より、シート１４の押上げ力をより効率的に曲がり運動に変換することができる。

なお、第１の例に係る曲げ駆動装置１Ａの場合、第１膜体１１及び第２膜体１２は、一例として、１６ｍｍ×５０ｍｍである。Ｘ軸方向の長さ５０ｍｍのうち、内部空間１３のＸ軸方向の長さは例えば１２ｍｍ、図示しない内部空間１３に伸びる流路の高さは例えば６５μｍである。

［２．３曲がり運動の原理］

第２膜体１２のヤング率Ｅ２は第１膜体１１のヤング率Ｅ１より大きいため、第２膜体１２の方が第１膜体１１より剛性が高い。つまり、第１膜体１１の方が第２膜体１２より変形しやすい。また、第１膜体の破断伸びＴ１は第２膜体の破断伸びＴ２より大きいため、第２膜体１２の方が第１膜体１１より伸び剛性が高い。これらのことより、内部空間１３に供給された空気の空気圧によって、第２膜体１２より第１膜体１１の方が大きく変形する。その結果、図３に示されたように、曲げ駆動装置１Ｂでは、内部空間１３Ａ，１３Ｂに空気が給気されると、第１膜体１１は＋Ｙ向きである膨張方向Ｅｘに膨張し、かつ、第２膜体１２の－Ｙ向きの膨張は第１膜体１１の膨張よりも小さい。又は、ほぼ膨張しない。

シート１４は第１膜体１１の膨張により＋Ｙ向きに力Ｆ１が作用して押し上げられる。しかしながら、非伸縮性のシートであるため＋Ｙ向きに膨張しない。又は、膨張が極めて小さい。そのため、接合位置１４Ａ，１４Ｂに、それぞれ＋Ｘ向き、－Ｘ向きの内部空間１３に向かう方向の引っ張り力ＴＦ１，ＴＦ２が生じる（Ｂ）。これにより、第２膜体１２はＸ軸方向に圧縮され、接合位置１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ、元の位置（Ａ）から＋Ｘ向き、－Ｘ向きに圧縮に応じた距離ｄ移動する。

しかしながら、第２膜体１２は剛性が高いため、圧縮による変形が小さい。そのため、接合位置１４Ａ，１４Ｂはそれぞれ距離ｄよりも大きく移動しない。その結果、第２膜体１２の接合位置１４Ａ，１４Ｂと重なる位置には＋Ｙ向きにたわみＷ１，Ｗ２が生じる（Ｃ）。たわみＷ１，Ｗ２によって、接合された第１膜体１１及び第２膜体１２は＋Ｙ向きに曲がる。

図４に示されるように、曲げ駆動装置１Ａの端部ＥＤ１は固定端であり、端部ＥＤ２は自由端であるため、接合位置１４Ａ，１４Ｂにそれぞれ引っ張り力ＴＦ１，ＴＦ２が生じる。この状態は、第２膜体１２を端部ＥＤ１を固定端とする片持ち梁とし、接合位置１４Ｂに引っ張り力ＴＦ２の＋Ｙ向き分力が集中荷重として作用している状態である。そのため、第２接合位置１４Ｂと重なる位置には＋Ｙ向きのたわみＷが発生する。たわみＷは、接合された第１膜体１１及び第２膜体１２に＋Ｙ向きの曲がり運動を生じさせる。

なお、図５は、発明者が曲げ駆動装置１Ｂを製作し、端部ＥＤ１を固定して内部空間１３Ａ，１３Ｂに給気した状態を示している。図５に示されたように、曲げ駆動装置１Ｂでは上方に曲がり運動が生じることが確認された。

［２．４設計思想］

図６に実線で示されたように、曲げ駆動装置１の発生力ｆは、変位Ｚが増加するにつれて小さくなる。なお、曲げ駆動装置１Ａの場合、図４に示されたように、変位ＺはたわみＷに相当する。図６に矢印で示されたように、変位Ｚと発生力ｆとの対応関係は、変位Ｚの最大値（最大変位）Ｚｍａｘが増加するにつれて発生力ｆの最大値（最大発生力）ｆｍａｘが増加するように変化する。

曲げ駆動装置１を、ある変位に対して要求される発生力となるように設計するために、変位Ｚと発生力ｆとの対応関係を複数種類、予め実験にて求めておく。例えば、１０ｍｍの変位（Ｚ＝１０ｍｍ）に対する発生力ｆ（１０）が５０～１００ｇを要求する場合（ｆ（１０）＝５０～１００ｇ）を想定する。この場合、図６のグラフにおいて、ｆ（１０）＝５０～１００ｇとなる対応関係を示す曲線を特定する。そして、特定された対応関係の最大変位Ｚｍａｘとなるように曲げ駆動装置１を設計する。

変位Ｚ、すなわち、たわみＷは、内部空間１３の膨張量と内圧とに依存する。膨張量が大きいほど変位Ｚは大きく、また、内圧が高いほど変位Ｚは大きいためである。図７に示されたように、第１膜体１１及び第２膜体１２の素材の引張強さが高いほど内部空間１３の膨張量を多くできる。また、第１膜体１１と第２膜体１２との接着強度が高いほど内部空間１３内の圧力を高く維持できる。従って、図６の矢印に示された最大変位Ｚｍａｘの変化は、第１膜体１１及び第２膜体１２の素材の引張強さと、第１膜体１１と第２膜体１２との接着強度と、に依存する。

弾性に優れたシリコン樹脂は、圧力が復元力より小さい範囲（復元力＞圧力）内で膨張量が最大となる。従って、最大変位Ｚｍａｘを変化させるためには、第１膜体１１及び第２膜体１２の素材である二液型ＲＴＣにおける主剤と硬化剤との混合比率を変化させる。従って、要求する発生力ｆとなる対応関係の最大変位Ｚｍａｘとなるような二液型ＲＴＣにおける主剤と硬化剤との混合比率を決定する。

第１膜体１１と第２膜体１２との接着強度は、第１膜体１１と第２膜体１２との素材や、接合方法に依存する。曲げ駆動装置１では第１膜体１１と第２膜体１２との接合箇所の素材は同一であるため、第１膜体１１と第２膜体１２との接合方法に依存する。従って、要求する発生力ｆとなる対応関係の最大変位Ｚｍａｘとなるような第１膜体１１と第２膜体１２との接合方法を決定する。

［２．５製造方法］

曲げ駆動装置１Ａは、図８～図１０に示される工程で製造される。図８は、第１膜体１１を製造する工程、図９は第２膜体１２を製造し、第１膜体１１と接合する工程、及び、図１０はシート１４を接合する工程を示している。

詳しくは、図８を参照して、ＳＵ－８などのエポキシ樹脂にて基盤２０上に内部空間１３に対応した形状のピース２３を、例えばフォトリソグラフィなどによって成形する（ステップＳ１１）。内部空間１３が第１の方向に連続する複数の内部空間１３Ａ，１３Ｂからなる場合（曲げ駆動装置１Ｂの場合）、図８に示されるように、ピース２３は、複数の内部空間１３Ａ，１３Ｂに相当するピース２３Ａ，２３Ｂが一方向に連続し、それらが流路１３Ｃに対応したピース２３Ｃで連結されている。

次に、ピース２３上面にスピンコードなどの薄膜成形法によって二液型ＲＴＣシリコンゴムで薄膜２１を成形するとともに、例えば矩形などの特定の形状となるように側面２１Ａを一体成形する（ステップＳ１２）。その後、ピース２３から薄膜２１及び側面２１Ａを剥離することで、薄膜２１が第１膜体１１となる。ピース２３から剥離した薄膜２１と側面２１Ａとが凹部２４を形成する（ステップＳ１３）。凹部２４は、内部空間１３Ａ，１３Ｂ及びそれらを連結する流路１３Ｃに対応した形状である。

図９を参照して、型枠３０にＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）ポリマーなどのシリコン樹脂を流し込み硬化させる（ステップＳ２１）。型枠３０から硬化したＰＤＭＳを剥離し、剥離したＰＤＭＳ膜を下層３１Ａとする（ステップＳ２２）。次に、下層３１Ａの上面にスピンコードなどの薄膜成形法によって二液型ＲＴＣシリコンゴムで薄膜を成形する（ステップＳ２３）。下層３１Ａ上面に成形された薄膜が上層３１Ｂとなり、下層３１Ａ及び上層３１Ｂとが積層して第２膜体１２を構成する。

図８に示された工程で成形された第１膜体１１と、ステップＳ２１～Ｓ２３で成形された第２膜体１２とは、第１膜体１１の凹部２４が第１膜体１１と第２膜体１２とに挟まれるように接合される（ステップＳ２４）。これにより、凹部２４が内部空間１３を構成する。第１膜体１１と第２膜体１２との接合（接着）は、一例としてＶＵＶ（真空紫外光）接着である。

図１０を参照して、接合された第１膜体１１と第２膜体１２とによって形成される内部空間１３Ａ，１３Ｂを連結する流路１３Ｃに外部から給気するための図示しないコネクタを接続した上で（ステップＳ３１）、接合された第１膜体１１及び第２膜体１２の外周をパリレンポリマー蒸着することによって（ステップＳ３２）、パリレン成膜する。パリレン膜３２の上から、非伸縮性のシート１４を接合する（ステップＳ３３）。ステップＳ３３の接合は通常の接合であって、例えば、接着剤などを利用してシート１４をパリレン膜３２を介して第１膜体１１に接合する。

図１０に示されたように、接合された第１膜体１１と第２膜体１２とに対して図１，図２のようにＸ軸及びＹ軸を設定した場合、ステップＳ３３では、シート１４を、Ｘ軸方向において内部空間１３を挟む２つの接合位置１４Ａ，１４Ｂで接合する。また、曲げ駆動装置１Ｂの場合は、接合位置１４Ａ，１４Ｂに加えて、内部空間１３Ａ，１３Ｂの間の接合位置１４Ｃでも接合する。

［２．６実施の形態の効果］

図１１に示されるように、特許文献１に示された従来のバルーンアクチュエータ１Ｃでは、内部空間１３が膨張することによって、第１膜体１１及び第２膜体１２の両方が伸びる。このときに、第１膜体１１の伸びＥ１と第２膜体１２の伸びＥ２とが異なることで、伸びの小さい側に曲げ動作する。図１１の例の場合、第１膜体１１の伸びＥ１が第２膜体１２の伸びＥ２よりも大きいため、バルーンアクチュエータ１Ｃは第２膜体１２側に矢印Ｒの方向に曲がる。

しかしながら、バルーンアクチュエータ１Ｃでは、曲げ動作の出力は第１膜体１１の伸びＥ１と第２膜体１２の伸びＥ２と差によって生じるので両膜体１１，１２ともに伸びると差が小さくなり、曲げ動作の出力は小さくなる。

これに対して、本実施の形態に係る曲げ駆動装置１は、膨張量の多い側の膜体（第１膜体）側に非圧縮性のシート１４を配することによって、内部空間１３の膨張による第１膜体１１の伸びをダイレクトに曲がり運動に変換することができる。さらに、非圧縮性のシート１４を用いているため、バルーン状に膨張した内部空間１３の耐圧が高く割れにくい。そのため、その膨張によるシート１４の押上げ力を曲がり運動に変換した際、その運動力を高くすることができる。つまり、曲げ動作の出力を、図１１に示された従来のバルーンアクチュエータ１Ｃよりも高めることができる。その結果、例えば、曲げ駆動装置１を生体組織の取り扱いに利用する場合、バルーンアクチュエータ１Ｃよりも重量のある組織を押し上げることが可能になる。

また、本実施の形態に係る曲げ駆動装置１では、内部空間１３は第２膜体１２側には概ね膨張せず、第１膜体１１側に大きく膨張する。そのため、第２膜体１２側（例えば下側）に膨張のためのスペースを確保する必要がない。曲げ駆動装置１を生体組織の取り扱いに利用する場合などの狭いスペースでも用いることが可能になる。

また、第１膜体１１及び第２膜体１２の素材はシリコン樹脂であるため、柔軟性に優れている。また、第１膜体１１及び第２膜体１２の素材はシリコン樹脂で薄膜成形されているため透過性が高く、曲げ駆動装置１を介した視野を確保することができる。そのため、曲げ駆動装置１を生体組織の取り扱いに利用する場合などの複雑な空間で用いる場合でも視野が良好となり、利用しやすくなる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

１ ：曲げ駆動装置
１Ａ ：曲げ駆動装置
１Ｂ ：曲げ駆動装置
１Ｃ ：バルーンアクチュエータ
１０ ：膜体
１１ ：第１膜体
１１Ａ ：第１の面
１１Ｂ ：第２の面
１２ ：第２膜体
１３ ：内部空間
１３Ａ ：内部空間
１３Ｂ ：内部空間
１３Ｃ ：流路
１３Ｅ ：端部
１４ ：シート
１４Ａ ：接合位置
１４Ｂ ：接合位置
１４Ｃ ：接合位置
１５Ａ ：第１の補強部
１５Ｂ ：第２の補強部
２０ ：基盤
２１ ：薄膜
２１Ａ ：側面
２３ ：ピース
２３Ａ ：ピース
２３Ｂ ：ピース
２３Ｃ ：ピース
２４ ：凹部
３０ ：型枠
３１Ａ ：下層
３１Ｂ ：上層
３２ ：パリレン膜
Ｅ１ ：ヤング率
Ｅ２ ：ヤング率
Ｅ３ ：ヤング率
ＥＤ１ ：端部
ＥＤ２ ：端部
ＥＬ１ ：伸び
ＥＬ２ ：伸び
Ｅｘ ：膨張方向
Ｆ１ ：力
Ｈ１ ：厚み
Ｈ２ ：厚み
Ｈ３ ：厚み
Ｏ ：原点
ＴＦ１ ：引っ張り力
ＴＦ２ ：引っ張り力
Ｚ ：変位
Ｚｍａｘ ：最大変位
ｄ ：距離
ｆ ：発生力
ｆｍａｘ ：最大発生力

Claims (9)

1. 内部空間に供給された流体の流体圧によって表面の膜体が伸びつつ膨張し、前記伸びによって生じた引っ張り応力によって曲がり運動を行う曲げ駆動装置であって、
   前記膜体は、
   流体圧によって伸びが生じる第１膜体と、
   前記流体圧による伸びが前記第１膜体よりも小さく、膨張が小さくなるように構成され、前記第１膜体との間に前記内部空間を構成するように前記第１膜体の第１の面に対して接合された第２膜体と、を含み、
   前記第１膜体の前記第１の面の反対側の第２の面側に積層され、前記第２の面に対して、前記第２の面内に設定された第１の方向において前記内部空間を挟む第１接合位置及び第２接合位置で接合され、少なくとも前記第１接合位置と前記第２接合位置との間は非接合とされた非伸縮性のシートをさらに備える
   曲げ駆動装置。
2. 前記第１膜体の膨張によって前記シートに生じる引っ張り応力によって前記第２膜体にたわみを発生させて、前記たわみによる前記第１膜体の膨張方向への曲がり運動を生じさせる
   請求項１に記載の曲げ駆動装置。
3. 前記第１膜体及び前記第２膜体の前記第１の方向の端部は固定されており、
   前記第２膜体は、前記第１膜体側とは逆側の面に第１の補強部を有し、
   前記第１の補強部は、少なくとも前記端部から前記第１接合位置及び前記第２接合位置のうちの近い側の接合位置までの範囲に設けられている
   請求項１または２に記載の曲げ駆動装置。
4. 前記第１膜体のヤング率Ｅ１、前記第２膜体のヤング率Ｅ２、及び、前記シートのヤング率Ｅ３がＥ２＞Ｅ３＞Ｅ１の関係を満たす
   請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の曲げ駆動装置。
5. 前記第１膜体のヤング率Ｅ１、前記第２膜体のヤング率Ｅ２、及び、前記シートのヤング率Ｅ３がＥ３＞Ｅ２＞Ｅ１の関係を満たす
   請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の曲げ駆動装置。
6. 前記第１膜体の厚みＨ１、前記第２膜体の厚みＨ２、及び、前記シートの厚みＨ３がＨ２＞Ｈ３＞Ｈ１の関係を満たす
   請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の曲げ駆動装置。
7. 前記内部空間は前記第１の方向に並ぶ複数の内部空間を構成している
   請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の曲げ駆動装置。
8. 前記シートは、前記第１接合位置及び前記第２接合位置に加えて、前記複数の内部空間の間の第３接合位置で前記第２の面に対して接合されている
   請求項７に記載の曲げ駆動装置。
9. 前記第２膜体は、前記第１膜体側とは逆側の面に第２の補強部をさらに有し、
   前記第２の補強部は前記第３接合位置に設けられている
   請求項８に記載の曲げ駆動装置。

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