JP7366317B2

JP7366317B2 - ばね要素、アクチュエータおよびばね要素の製造方法

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Publication number: JP7366317B2
Application number: JP2023516875A
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Inventors: 慎上垣
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Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
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Filing date: 2021-04-26
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Description

本開示は、負荷が加えられると変形し、負荷を除くと元の形状に回復するばねを有するばね要素、アクチュエータおよびばね要素の製造方法に関する。

ばねは、材料の弾性変形を利用した部品であり、負荷が加えられた際に変形しても除荷すれば元の形状に回復する。ばねの種類には、コイルばね、皿ばね、板ばねなどがある。特許文献１には、外形が２００ｎｍであり、内径が１００ｎｍである磁性遷移金属を含む金属または合金からなるコイルばねの製造方法が開示されている。

特開２０１８－１９３６０７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の先行技術で製造されるコイルばねは、コイルばねを圧縮した場合に素線同士が接触するために大きな変位が得られないという問題があった。圧縮した場合に大きな変位を得ることができるばねとして、板のたわみを利用する板ばねがある。しかし、板ばねで大きな可逆変形範囲を得るには板を大きくしなければならず、板ばねを設置するために広いスペースが必要となるという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、従来のコイルばねに比して大きな可逆変形範囲を有しながら、設置のためのスペースを従来の板ばねに比して抑えることができるばね要素を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るばね要素は、複数の板状の板ばねを有するばね部と、板ばねの第１方向の両端に接続される板状の支持部および負荷部と、を備える。板ばねは、複数のシート状部材が厚さ方向に積層して構成される。複数のシート状部材同士は、分子間力で結合されている。

本開示に係るばね要素は、従来のコイルばねに比して大きな可逆変形範囲を有しながら、設置のためのスペースを従来の板ばねに比して抑えることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係るばね要素の構成の一例を模式的に示す斜視図実施の形態１に係るばね要素の板ばねの構成の一例を模式的に示す斜視図グラフェンの原子構造の一例を示す平面図グラフェンの原子構造の一例を示す側面図二硫化モリブデンの原子構造の一例を示す平面図二硫化モリブデンの原子構造の一例を示す側面図実施の形態１に係るばね要素の構成の一例を示す断面図図７に示されるばね要素の効果を説明する図図７に示されるばね要素の効果を説明する図実施の形態１に係るばね要素の構成の他の例を模式的に示す断面図実施の形態２に係るアクチュエータの構成の一例を模式的に示す図実施の形態２に係るアクチュエータの構成の他の例を模式的に示す図実施の形態２に係るアクチュエータの構成の他の例を模式的に示す図実施の形態２に係るアクチュエータの構成の他の例を模式的に示す図

以下に、本開示の実施の形態に係るばね要素、アクチュエータおよびばね要素の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るばね要素の構成の一例を模式的に示す斜視図である。ばね要素１０は、ばね部１１と、ばね部１１に接続される板状の支持部１２および負荷部１３と、を備える。

ばね部１１は、複数の板状の板ばね１１ａを有する。板ばね１１ａの厚さ方向に垂直な面は、支持部１２のばね部１１と接続される面である接続面１２ａおよび負荷部１３のばね部１１と接続される面である接続面１３ａと予め定められた角度で接続される。一例では、板ばね１１ａの厚さ方向に垂直な面は、支持部１２の接続面１２ａおよび負荷部１３の接続面１３ａと直交するように接続される。

図２は、実施の形態１に係るばね要素の板ばねの構成の一例を模式的に示す斜視図である。それぞれの板ばね１１ａは、複数のシート状部材１１ｂがシート状部材１１ｂの厚さ方向に積層された構成を有する。板ばね１１ａを構成する複数のシート状部材１１ｂの厚さに垂直な面は、互いに平行となるように配置される。積層されたシート状部材１１ｂ同士は、従来の板ばねの材料で使用される鉄などにみられる金属結合で結合されているのではなく、互いに分子間力で結合されている。

シート状部材１１ｂの材料は、原子の二次元的結合構造を持つ二次元材料である場合もある。二次元材料の一例は、グラフェン、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、テルル化モリブデン、セレン化インジウムおよびテルル化スズの群から選択される少なくとも１つの材料である。図３は、グラフェンの原子構造の一例を示す平面図であり、図４は、グラフェンの原子構造の一例を示す側面図である。グラフェン１００は、同一平面内で炭素原子１１０が六角形となるように共有結合で結びついてシート状となったものである。上記したように、隣接するグラフェン１００の層間は分子間力によって結合されている。

図５は、二硫化モリブデンの原子構造の一例を示す平面図であり、図６は、二硫化モリブデンの原子構造の一例を示す側面図である。二硫化モリブデン層１２０は、同一平面内でモリブデン原子１３０が三角形となるように配置されたモリブデン層１３０ａの上下に、硫黄原子１４０が三角形となるように配置された硫黄層１４０ａが１層ずつ配置されてシート状となっている。シートに垂直な方向から見た場合に、モリブデン層１３０ａの三角形と、硫黄層１４０ａの三角形と、によって六角形が形成されるように、モリブデン層１３０ａと硫黄層１４０ａとが配置される。モリブデン層１３０ａのモリブデン原子１３０と硫黄層１４０ａの硫黄原子１４０との間は共有結合で結びついて、１層の二硫化モリブデン層１２０が形成される。隣接する二硫化モリブデン層１２０の層間は、分子間力によって結合されている。

このように、各シート状部材１１ｂのシートを構成する原子は、従来の板ばねの材料で使用される鉄などにみられる金属結合ではなく共有結合で結合しており、面内方向の剛性が高く、面外方向の曲げに対しては柔軟な材料である。

図１に戻り、支持部１２は、ばね部１１を支持する部材である。支持部１２は、ばね部１１と接続される接続面１２ａと、接続面１２ａと反対側の面である支持面１２ｂと、を有する板状の部材である。一例では、支持部１２は、接続面１２ａと支持面１２ｂとが一対の平行な面を有する形状を有する。支持部１２の支持面１２ｂが、ばね要素１０を支持する対象物と接触するように、ばね要素１０が対象物に支持される。

負荷部１３は、ばね部１１に負荷をかける負荷部材とばね部１１との間に設けられる部材である。板状の板ばね１１ａの支持部１２が接続される部位と対向する部位に、負荷部１３は設けられる。すなわち、図１の例では、支持部１２および負荷部１３は、板ばね１１ａの第１方向である延在方向の両端に接続される。負荷部１３は、ばね部１１と接続される接続面１３ａと、接続面１３ａと反対側の面である負荷面１３ｂと、を有する板状の部材である。一例では、負荷部１３は、接続面１３ａと負荷面１３ｂとが一対の平行な面を有する形状を有する。負荷部１３の負荷面１３ｂに、負荷部材が接触するようにばね要素１０が設けられる。

以下に、ばね部１１の変形メカニズムについて説明する。負荷部１３の負荷面１３ｂに負荷面１３ｂに対して角度をなして、負荷面１３ｂから負荷部１３の接続面１３ａに向かう成分を持つ荷重が加えられるものとする。この場合には、板ばね１１ａを構成する積層された複数のシート状部材１１ｂは分子間力による結合によって結合された状態のまま、曲げの外側では引張ひずみが生じ、曲げの内側では圧縮ひずみが生じて、板ばね１１ａが変形する。この状態からさらに大きな負荷を加えると、板ばね１１ａを構成する積層された複数のシート状部材１１ｂ間の分子間力による結合が切れて、シート状部材１１ｂ間でのすべりもしくは剥離、またはシート状部材１１ｂ内でのしわが発生することで板ばね１１ａが変形する。一度、分子間力による結合が切れると、シート状部材１１ｂ間はエネルギ的に不安定な状態となり、すべりに対する抵抗力がほぼ０になる。

その後、負荷部１３に加えられていた荷重が取り除かれると、板ばね１１ａに蓄えられていたひずみエネルギが駆動力となって板ばね１１ａの変形が回復し、負荷をかける前の位置まで戻るとシート状部材１１ｂ同士に分子間力による結合が再び形成される。これによって、負荷部１３に加えられていた荷重が取り除かれた後には、ばね部１１の変形が回復する。このように、シート状部材１１ｂが積層されてできた板ばね１１ａは、板ばね１１ａの曲げの内側となる面が接触するまで板ばね１１ａを変形させても接した面間のエネルギ状態は不安定であり、容易に分離され上記した変形のメカニズムによって可逆的に変形する。このため、ばね要素１０の可逆変形範囲は、従来に比して大きくなる。

シート状部材１１ｂの材料がグラフェンであり、負荷部１３の負荷面１３ｂに負荷面１３ｂに対して角度をなして、負荷面１３ｂから接続面１３ａに向かう成分を持つ荷重が加えられる場合を説明する。この場合、シート状部材１１ｂの層間に生じるせん断応力が６００ＭＰａを超えるまで、またはシート状部材１１ｂの法線方向に生じる垂直応力が２０００ＭＰａを超えるまでは、曲げの外側では引張ひずみが生じ、曲げの内側では圧縮ひずみが生じて、板ばね１１ａが変形する。そして、層間に生じるせん断応力が６００ＭＰａ以上になると、分子間力による結合が切れて層間でのすべりが生じ、またシート状部材１１ｂの法線方向に生じる垂直応力が２０００ＭＰａ以上になると分子間力による結合が切れて剥離が生じることで、板ばね１１ａが変形する。シート状部材１１ｂの層間ですべりまたは剥離が生じると、これに伴ってシート状部材１１ｂ内でしわが発生することがある。その後、負荷部１３に加えられた荷重が取り除かれると、シート状部材１１ｂに蓄積されたひずみエネルギとグラフェンが有するすべりによって生じる面エネルギとを駆動力とした自発的な復元力によって変形が戻る。さらに、シート状部材１１ｂ間の分子間力による結合が再び形成されることで、板ばね１１ａの変形は回復する。

実施の形態１に係るばね要素１０は、ばね部１１、支持部１２および負荷部１３がそれぞれ別の材料で構成されていてもよいし、同一の材料で構成されていてもよい。図７は、実施の形態１に係るばね要素の構成の一例を示す断面図である。図７に示される例では、ばね要素１０のばね部１１、支持部１２および負荷部１３が同一材料で構成される場合を示している。板ばね１１ａを構成するシート状部材１１ｂが、支持部１２との接続面１２ａから反対の支持面１２ｂまで、および負荷部１３との接続面１３ａから反対の負荷面１３ｂまでを貫通している。そして、支持部１２および負荷部１３の配置位置において、板ばね１１ａの積層方向と同一方向にシート状部材１１ｂを積層することによって、負荷部１３および支持部１２が構成されている。つまり、支持部１２および負荷部１３は、板ばね１１ａの延在方向の両端部で、シート状部材１１ｂを厚さ方向に積層して、ばね部１１と一体的に構成される。

図８および図９は、図７に示されるばね要素の効果を説明する図である。図８に示されるように、凹凸を有する設置面５０に、ばね要素１０を固定する場合を説明する。この場合、図９に示されるように、設置する際に支持部１２を構成するシート状部材１１ｂが互いにすべることで支持部１２の形状が設置面５０の形状に倣うようになる。このような形状によって、負荷部１３に荷重が加えられた際には、支持部１２および設置面５０での応力集中が解消される。このため、ばね要素１０が大きな荷重に耐えられるようになるという効果、すなわち大きな変位に耐えられるようになるという効果を有する。

図１０は、実施の形態１に係るばね要素の構成の他の例を模式的に示す断面図である。図１０では、板ばね１１ａに予め定められた深さの切欠部１５が設けられる。ここで、板ばね１１ａを構成するシート状部材１１ｂのうち、板ばね１１ａの厚さ方向に垂直な面のうち１つの面から連続する予め定められた層数のシート状部材１１ｂは、１つの孔を有する。そして、予め定められた層数のシート状部材１１ｂが、孔の位置が重なるように積層される。このとき、シート状部材１１ｂの孔が隣接するシート状部材１１ｂで一部または全部が、すなわち少なくとも一部が重なるように配置される。孔が重なった部分が切欠部１５となる。孔の形状の一例は、円形、三角形、四角形である。孔の大きさは、シート状部材１１ｂの厚さ方向に垂直な面の内の１つの面を成すシート状部材１１ｂから板ばね１１ａの内側の層まで傾斜的に大きさが大きくなっていてもよいし、または小さくなっていてもよい。

図１０に示される切欠部１５を有するばね要素１０の負荷部１３に荷重が加えられると、板ばね１１ａは切欠部１５がある面を凹にして変形するようになる。この結果、切欠部１５がない場合と比べて、板ばね１１ａの変形の形状を制御することができる。

次に、図７に示されるばね要素１０の製造方法について説明する。製造するばね要素１０よりも大きく、少なくとも一部でシート状部材１１ｂが同一方向に積層されている母材が準備される。この母材のシート状部材１１ｂが同一方向に積層している領域内で、集束イオンビーム（Focused Ion Beam：ＦＩＢ）装置を用いてばね部１１、支持部１２および負荷部１３以外の部分を除去することによって、ばね要素１０が製造される。具体的には、シート状部材１１ｂの厚さ方向と平行または垂直であり、支持部１２および負荷部１３の接続面１２ａ，１３ａと平行な方向からイオンビームを照射し、照射したイオンで母材の原子をはじき飛ばすことでばね要素１０の構成要素以外の部分を除去する。イオンビームのイオンの一例は、ガリウムイオン、ネオンイオン、ヘリウムイオンである。

ばね要素１０がグラフェンで構成されている場合には、母材には、高配向性熱分解グラファイト（Highly Oriented Pyrolytic Graphite：ＨＯＰＧ）などが使用される。ＨＯＰＧは、炭化水素ガスを熱分解、沈積させて熱分解炭素を生成し、さらに応力をかけながら高温熱処理することで得られる。

実施の形態１に係るばね要素１０は、複数の板状の板ばね１１ａで構成されるばね部１１と、板ばね１１ａの対向する２つの端部に接続される板状の支持部１２および負荷部１３と、を有し、板ばね１１ａは、複数のシート状部材１１ｂが厚さ方向に積層して構成され、複数のシート状部材１１ｂ同士は分子間力で結合されている。予め定められた大きさよりも負荷部１３に荷重が加えられたときに板ばね１１ａを構成するシート状部材１１ｂ間の分子間力による結合が切れて、シート状部材１１ｂ間でのすべりもしくは剥離、またはシート状部材１１ｂ内でのしわが発生することでばね部１１が変形する。また、負荷を除去する除荷時には、負荷時にシート状部材１１ｂに蓄積されたひずみエネルギによって変形が戻るとともに、シート状部材１１ｂ間の分子間力による結合が再び形成されることで変形が回復する。このように、従来のコイルばねに比して大きな可逆変形範囲を有するばね要素１０を得ることができるという効果を有する。また、従来の板ばねでは、大きな可逆変形範囲を得るためには板を大きくしなければならず、板ばねを設置するために広いスペースが必要となっていた。しかし、実施の形態１にかかるばね要素１０では板ばね１１ａは、面内方向の剛性が高く、面外方向の曲げに対しては柔軟な複数のシート状部材１１ｂ間が分子間力で結合された構成を有する。このため、サイズに関わらず、大きな可逆変形範囲を有する板ばね１１ａを構成することができる。この結果、ばね要素１０を設置するためのスペースを従来の板ばねに比して抑えることができるという効果を有する。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１で説明したばね要素１０を用いたアクチュエータについて説明する。

図１１は、実施の形態２に係るアクチュエータの構成の一例を模式的に示す図である。アクチュエータ２０Ａは、ばね部１１Ａ、支持部１２Ａおよび負荷部１３Ａを有するばね要素１０Ａと、支持部１２Ａの支持面１２ｂに設けられる電極２１と、負荷部１３Ａの負荷面１３ｂに設けられる電極２２と、電極２１，２２間に電圧を印加する電源２３と、電源２３と電極２１，２２との間を電気的に接続する導線２４と、を備える。図１１では、ばね要素１０Ａ、ばね部１１Ａ、支持部１２Ａおよび負荷部１３Ａのそれぞれは、実施の形態１のばね要素１０、ばね部１１、支持部１２および負荷部１３に対応する。ただし、ばね部１１Ａ、支持部１２Ａおよび負荷部１３Ａは、絶縁材料によって構成される。電極２１，２２は導電性材料によって構成される。電極２１は、第１電極に対応し、電極２２は、第２電極に対応する。導線２４は、導電性材料によって構成され、抵抗が小さいものであることが好ましい。電源２３は、直流電源でもよいし、交流電源でもよい。図１１では、支持部１２Ａおよび負荷部１３Ａのそれぞれに接続される電極２１，２２の数は１個である場合が示されているが、複数個でもよい。

図１１に示されるアクチュエータ２０Ａにおいて、電源２３を稼働させて支持部１２Ａに接続されている電極２１と負荷部１３Ａに接続されている電極２２との間に電圧を印加すると、静電気によってばね部１１Ａを圧縮する向きの力が電極２１，２２間に発生する。電圧の大きさによって発生する力の大きさは変化し、発生する力の大きさによってばね部１１Ａの変形量は変化する。電極２１，２２間の電圧を０にすると、静電気力は消失し、ばね部１１Ａを構成する板ばね１１ａの復元力によってばね部１１Ａの形状が変形する前の初期状態に回復する。

図１２は、実施の形態２に係るアクチュエータの構成の他の例を模式的に示す図である。なお、図１１と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。アクチュエータ２０Ｂは、ばね部１１Ｂ、支持部１２Ｂおよび負荷部１３Ｂを有するばね要素１０Ｂと、支持部１２Ｂの支持面１２ｂに設けられる絶縁層２５と、負荷部１３Ｂの負荷面１３ｂに設けられる絶縁層２６と、絶縁層２５に接続される電極２１と、絶縁層２６に接続される電極２２と、電極２１，２２間に電圧を印加する電源２３と、電源２３と電極２１，２２との間を電気的に接続する導線２４と、を備える。図１２では、ばね要素１０Ｂ、ばね部１１Ｂ、支持部１２Ｂおよび負荷部１３Ｂのそれぞれは、実施の形態１のばね要素１０、ばね部１１、支持部１２および負荷部１３に対応する。ただし、ばね部１１Ｂ、支持部１２Ｂおよび負荷部１３Ｂは、導電性材料によって構成される。絶縁層２５は、第１絶縁層に対応し、絶縁層２６は、第２絶縁層に対応する。

図１２の例では、絶縁層２５，２６は、支持部１２Ｂおよび負荷部１３Ｂの面積よりも大きい場合が示されている。絶縁層２５の支持部１２Ｂと接続する面とは反対側の面で、ばね要素１０Ｂが配置される配置位置に対応する位置ではない部分に、複数の電極２１が設けられる。絶縁層２６の負荷部１３Ｂと接続する面とは反対側の面で、ばね要素１０Ｂが配置される配置位置に対応する位置ではない部分に、複数の電極２２が設けられる。なお、図１２では、支持部１２Ｂおよび負荷部１３Ｂのそれぞれに接続される電極２１，２２の数が２個である場合を示したが、３個以上であってもよいし、１個であってもよい。また、図１２では、ばね要素１０Ｂの配置位置に重ならないように電極２１，２２が設けられる場合が示されているが、ばね要素１０の配置位置に重なるように電極２１，２２が設けられていてもよい。

図１２に示されるアクチュエータ２０Ｂにおいて、電源２３を稼働させて、絶縁層２５を介して支持部１２Ｂに接続されている電極２１と、絶縁層２６を介して負荷部１３に接続されている電極２２と、の間に電圧を印加すると、静電気によってばね部１１Ｂを圧縮する向きの力が電極２１，２２間に発生する。電圧の大きさによって発生する力の大きさは変化し、発生する力の大きさによってばね部１１Ｂの変形量は変化する。電極２１，２２間の電圧を０にすると、静電気力は消失し、ばね部１１Ｂを構成する板ばね１１ａの復元力によってばね部１１Ｂの形状が変形する前の初期状態に回復する。

図１３は、実施の形態２に係るアクチュエータの構成の他の例を模式的に示す図である。なお、図１１と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。アクチュエータ２０Ｃは、ばね部１１Ｃ、支持部１２Ｃおよび負荷部１３Ｃを有するばね要素１０Ｃと、支持部１２Ｃの支持面１２ｂに設けられる電極２１と、負荷部１３Ｃの負荷面１３ｂに設けられる電極２２と、電極２１，２２間に電圧を印加する電源２３と、電源２３と電極２１，２２との間を電気的に接続する導線２４と、を備える。図１３では、ばね要素１０Ｃ、ばね部１１Ｃ、支持部１２Ｃおよび負荷部１３Ｃのそれぞれは、実施の形態１のばね要素１０、ばね部１１、支持部１２および負荷部１３に対応する。ただし、ばね部１１Ｃは、導電性材料によって構成され、支持部１２Ｃおよび負荷部１３Ｃは、絶縁材料によって構成される。支持部１２の支持面１２ｂで、ばね部１１Ｃすなわち板ばね１１ａが配置されない部分に電極２１が設けられる。負荷部１３の負荷面１３ｂで、板ばね１１ａが配置されない部分に電極２２が設けられる。なお、これは一例であり、支持部１２の支持面１２ｂで、板ばね１１ａが配置される部分に電極２１が設けられ、負荷部１３の負荷面１３ｂで、板ばね１１ａが配置される部分に電極２２が設けられていてもよい。

図１３に示されるアクチュエータ２０Ｃにおいて、電源２３を稼働させて支持部１２Ｃに接続されている電極２１と負荷部１３に接続されている電極２２との間に電圧を印加すると、静電気によってばね部１１Ｃを圧縮する向きの力が電極２１，２２間に発生する。電圧の大きさによって発生する力の大きさは変化し、発生する力の大きさによってばね部１１Ｃの変形量は変化する。電極２１，２２間の電圧を０にすると、静電気力は消失し、ばね部１１Ｃを構成する板ばね１１ａの復元力によってばね部１１Ｃの形状が変形する前の初期状態に回復する。

図１４は、実施の形態２に係るアクチュエータの構成の他の例を模式的に示す図である。なお、図１１と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。アクチュエータ２０Ｄは、ばね部１１Ｄ、支持部１２Ｄおよび負荷部１３Ｄを有するばね要素１０Ｄと、支持部１２Ｄと負荷部１３Ｄとの間に電圧を印加する電源２３と、電源２３と支持部１２Ｄとの間および電源２３と負荷部１３Ｄとの間を電気的に接続する導線２４と、を備える。図１４では、ばね要素１０Ｄ、ばね部１１Ｄ、支持部１２Ｄおよび負荷部１３Ｄのそれぞれは、実施の形態１のばね要素１０、ばね部１１、支持部１２および負荷部１３に対応する。ただし、ばね部１１Ｄは、絶縁材料によって構成され、支持部１２Ｄおよび負荷部１３Ｄは、導電性材料によって構成される。また、支持部１２Ｄおよび負荷部１３Ｄが、実施の形態１の電極２１，２２の機能も有している。

図１４に示されるアクチュエータ２０Ｄにおいて、電源２３を稼働させて支持部１２Ｄと負荷部１３Ｄとの間に電圧をかけると、静電気によってばね部１１Ｄを圧縮する向きの力が支持部１２Ｄと負荷部１３Ｄとの間に発生する。電圧の大きさによって発生する力の大きさは変化し、発生する力の大きさによってばね部１１Ｄの変形量は変化する。支持部１２Ｄおよび負荷部１３Ｄの間の電圧を０にすると、静電気力は消失し、ばね部１１Ｄを構成する板ばね１１ａの復元力によってばね部１１Ｄの形状が変形する前の初期状態に回復する。

実施の形態２のアクチュエータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄでは、ばね部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ、支持部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄおよび負荷部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄを有するばね要素１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄの支持部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄおよび負荷部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄとの間に電圧を印加して、電圧の大きさによって板ばね１１ａを変形させるようにした。支持部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄと負荷部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄとの間に予め定められた値以上の圧縮する向きの力が加えられたときに板ばね１１ａを構成するシート状部材１１ｂ間の分子間力による結合が切れて、シート状部材１１ｂ間でのすべりもしくは剥離またはシート状部材１１ｂ内でしわが発生することで板ばね１１ａが変形する。また、支持部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄと負荷部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄとの間の圧縮する向きの力を除去すると、圧縮時にシート状部材１１ｂに蓄積されたひずみエネルギによって変形が戻るとともに、シート状部材１１ｂ間の分子間力による結合が再び形成されることで変形が回復する。このように、従来のコイルばねを用いた場合に比して大きな可逆変形範囲を有するアクチュエータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを得ることができるという効果を有する。また、従来の板ばねでは、大きな可逆変形範囲を得るためには板を大きくしなければならず、板ばねを設置するために広いスペースが必要となっていた。しかし、実施の形態２に係るアクチュエータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの板ばね１１ａは、面内方向の剛性が高く、面外方向の曲げに対しては柔軟な複数のシート状部材１１ｂ間が分子間力で結合された構成を有する。このため、サイズに関わらず、大きな可逆変形範囲を有する板ばね１１ａを構成することができる。この結果、ばね要素１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄを設置するためのスペースを従来の板ばねに比して抑えることができ、従来に比してサイズを小さくしながら大きな可逆変形範囲を有するアクチュエータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを得ることができるという効果を有する。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄばね要素、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄばね部、１１ａ板ばね、１１ｂシート状部材、１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ支持部、１２ａ，１３ａ接続面、１２ｂ支持面、１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ負荷部、１３ｂ負荷面、１５切欠部、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄアクチュエータ、２１，２２電極、２３電源、２４導線、２５，２６絶縁層、５０設置面、１００グラフェン、１１０炭素原子、１２０二硫化モリブデン層、１３０モリブデン原子、１３０ａモリブデン層、１４０硫黄原子、１４０ａ硫黄層。

Claims

複数の板状の板ばねを有するばね部と、
前記板ばねの第１方向の両端に接続される板状の支持部および負荷部と、
を備え、
前記板ばねは、複数のシート状部材が厚さ方向に積層して構成され、
前記複数のシート状部材同士は、分子間力で結合されていることを特徴とするばね要素。
前記板ばねを構成する前記複数のシート状部材の前記厚さ方向に垂直な面は、互いに平行であり、
前記板ばねの前記厚さ方向に垂直な面は、前記負荷部および前記支持部と予め定められた角度で接続されることを特徴とする請求項１に記載のばね要素。
前記ばね部と前記負荷部および前記支持部とは、同一材料で構成され、
前記支持部および前記負荷部は、前記板ばねの前記第１方向の両端部で、前記シート状部材を前記厚さ方向に積層して、前記ばね部と一体的に構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のばね要素。
前記板ばねを構成する前記シート状部材のうち、前記板ばねの前記厚さ方向に垂直な面のうち１つの面から予め定められた層数の前記シート状部材は、１つの孔を有し、
予め定められた層数の前記シート状部材は、前記孔の位置の少なくとも一部が重なるように積層されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のばね要素。
前記シート状部材は、二次元材料であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のばね要素。
前記二次元材料は、グラフェン、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、テルル化モリブデン、セレン化インジウムおよびテルル化スズの群から選択される少なくとも１つの材料であることを特徴とする請求項５に記載のばね要素。
請求項１から５のいずれか１つに記載のばね要素と、
前記支持部に接続される第１電極と、
前記負荷部に接続される第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極と導線を介して接続される電源と、
を備え、
前記ばね部、前記支持部および前記負荷部は絶縁材料によって構成されることを特徴とするアクチュエータ。
請求項１から５のいずれか１つに記載のばね要素と、
前記支持部の前記ばね部が接続されている面とは反対側の面に接続される絶縁材料からなる第１絶縁層と、
前記第１絶縁層に接続される第１電極と、
前記負荷部の前記ばね部が接続されている面とは反対側の面に接続される絶縁材料からなる第２絶縁層と、
前記第２絶縁層に接続される第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極と導線を介して接続される電源と、
を備え、
前記ばね部、前記支持部および前記負荷部は、導電性材料によって構成されることを特徴とするアクチュエータ。
前記第１絶縁層は、前記支持部よりも大きい面積を有し、
前記第２絶縁層は、前記負荷部よりも大きい面積を有し、
前記第１電極は、前記支持部の配置位置に対応する位置以外の前記第１絶縁層に設けられ、
前記第２電極は、前記負荷部の配置位置に対応する位置以外の前記第２絶縁層に設けられることを特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ。
請求項１から５のいずれか１つに記載のばね要素と、
前記支持部に接続される第１電極と、
前記負荷部に接続される第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極と導線を介して接続される電源と、
を備え、
前記ばね部は、導電性材料によって構成され、
前記支持部および前記負荷部は絶縁材料によって構成されることを特徴とするアクチュエータ。
前記第１電極は、前記ばね部の配置位置に対応する位置以外の前記支持部に設けられ、
前記第２電極は、前記ばね部の配置位置に対応する位置以外の前記負荷部に設けられることを特徴とする請求項１０に記載のアクチュエータ。
請求項１から５のいずれか１つに記載のばね要素と、
前記支持部および前記負荷部と導線を介して接続される電源と、
を備え、
前記ばね部は、絶縁材料によって構成され、
前記支持部および前記負荷部は、導電性材料によって構成されることを特徴とするアクチュエータ。
複数の板状の板ばねを有するばね部と、
前記板ばねの第１方向の両端に接続される板状の支持部および負荷部と、
を備え、
前記板ばねは、複数のシート状部材が厚さ方向に積層して構成され、
前記複数のシート状部材同士は、分子間力で結合されているばね要素の製造方法であって、
前記シート状部材が積層された母材から、前記ばね部、前記支持部および前記負荷部以外の部分を除去することを特徴とするばね要素の製造方法。
前記母材は、高配向性熱分解グラファイトであることを特徴とする請求項１３に記載のばね要素の製造方法。