JPWO2008093695A1 - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 弾性変形部材の変形が電極により制限されることなく、しかも変形時に電極を形成するフィルムに皺やクラックが形成され難くした人工筋肉を用いたアクチュエータを提供する。【解決手段】 可動電極３と弾性変形部材４との界面に摩擦抵抗を小さくして滑りを良くする表面処理を施すとともに、弾性変形部材４の一部に厚み寸法を部分的に薄くした応力制御部４ａ，４ａを形成する。前記表面処理により、弾性変形部材の変形が電極によって制限されることがなくなる。また変形時には弾性変形部材４が応力制御部４ａ，４ａの箇所から変形を開始するようになり、結果として可動電極３を形成するフィルム６に皺やクラックが形成され難くすることが可能となる。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、一対の電極間に配置したエラストマなどの弾性変形部材を人工筋肉として用いたアクチュエータに関する。

従来より、電気的エネルギーを機械的なエネルギーに変換するアクチュエータでは人工筋肉が用いたものが開発されている。このようなアクチュエータでは、対向する一対の電極間に、例えばエラストマ、あるいはイオン交換膜などの弾性変形部材が配置されている。前記一対の電極間に電位差を与えると、前記弾性変形部材が両電極間に生じる静電力によって変形し、筋肉のように振る舞うというものである。

このような、人工筋肉を用いたアクチュエータは、例えば以下に示すような特許文献１に開示されている。
特表２００３−５０６８５８号公報（第１９−２１頁、図１Ａ，図１Ｂ等） 特開２００６−５０８５６号公報（第７頁−第８頁、図２等）

しかしながら、上記特許文献１に記載されたアクチュエータでは、弾性変形部材を形成する電気活性ポリマーの上面および下面に電極がそれぞれ固定されているので、弾性変形部材の変形が伸縮機能を有さない電極により制限されやすい。このため、従来の人工筋肉を用いたアクチュエータは、変位量が小さく、応答性も鈍く安定し難いという問題があった。

しかも、従来のアクチュエータでは、弾性変形部材の変形を制御すること構成ではなかったため、変形の際に電極が形成されたフィルムに皺が発生し、あるいは前記フィルムにクラックが形成されるといった問題があった。

このため、例えば伸縮性を有する樹脂材料の中に導電フィラー（各種形状のカーボン、金属粉、金属酸化物粉）を分散させて電極を印刷で形成し、あるいはスパッタや蒸着などの手段を用いて電極をジグザグ形状の導電性膜に加工するなどし、電極自体に伸縮機能、あるいは変形機能を持たせるなどの工夫が必要であった。

しかし、伸縮性を有する電極では、導電フィラーを分散させるための分散液の製造、および分散液の安定性の問題などから使用可能な材料が限られ、アクチュエータのコストを下げることが困難であった。また印刷で形成した電極は密着性や耐久性に劣り、さらに導電性膜で形成した電極も耐久性に優れないという問題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、弾性変形部材の変形が電極により制限されることを防止し、充分な変位量を得ることができ、しかも速く安定した応答特性を得ることが可能な人工筋肉を用いたアクチュエータを提供することを目的としている。

さらには、予め弾性変形部材の変形方向を制御することにより、変形時に電極を形成するフィルムに皺やクラックが形成され難くした人工筋肉を用いたアクチュエータを提供することを目的としている。

本発明は、対向配置された一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられた弾性変形部材とを有するアクチュエータにおいて、
前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極と前記弾性変形部材とは非接着状態で接するとともに、この間に摩擦抵抗を小さくする表面処理が施されていることを特徴とするものである。

本発明のアクチュエータでは、弾性変形部材の変形が、変形を伴わない電極により妨げられることを防止することができる。このため、弾性変形部材の充分な変位量を確保することができる。さらにはアクチュエータの応答性を速めることができる。

上記において、前記弾性変形部材には、前記弾性変形部材のその他の箇所よりも膜厚寸法を薄く形成した応力制御部が設けられているものが好ましい。

上記手段では、最初に変形を開始する弾性変形部材上の箇所を指定することができ、弾性変形部材が変形する方向および大きさを一定とすることが可能となる。よって、突出部材の突出量やその応答周波数を安定させることができる。

前記表面処理は、前記弾性変形部材と前記電極との界面に設けられた潤滑剤であるものが好ましい。

また前記弾性変形部材に潤滑剤が含まれているものであってもよい。
この場合、前記潤滑剤がフッ素を含むものが好ましい。

さらに、前記弾性変形部材は、シリコーン系のエラストマで形成することが可能である。

また前記電極は、フィルムの一面に金属または導電性の金属酸化物を成膜したものが好ましい。

上記手段では、電極の膜厚を薄く形成することができるため、弾性変形部材の変形に応じて膜厚方向に変形可能な可動電極を形成することができる。

また前記フィルムに切欠部が形成されているものが好ましい。
上記手段では、電極を形成するフィルムに皺やクラックが形成されることを防止することが可能となる。

本発明アクチュエータでは、弾性変形部材と電極間の摩擦抵抗が小さいため、弾性変形部材の変位量を充分に確保することができ、しかも応答性が速く安定して動作するアクチュエータとすることができる。

さらには、予め弾性変形部材の変形方向を制御することにより、電極を形成するフィルムに皺やクラックが形成され難くすることができる。

図１Ａは本発明の実施の形態を示すアクチュエータの断面図、図１Ｂは弾性変形部材を示す平面図、図２はアクチュエータの動作状態を示す図１Ａ同様の断面図、図３は図２の動作状態からさらに動作を進めた状態を示す図１Ａ同様の断面図である。

本発明の実施の形態に示すアクチュエータは、基板のスルーホール内に設けられた突出部材が自在に進退し、スルーホールの中から基板表面に突出したり、基板の内部に隠れたりすることを制御することができるというものである。このようなアクチュエータは、例えばモグラ叩きゲームにおけるモグラを穴から出現させ、また穴内に隠すための駆動機構として用いることができる。またこのようなアクチュエータを密集配置することにより、画像を立体的に表現する機器への応用が考えられる。

図１Ａに示すように、アクチュエータは固定電極２と可動電極３とが対向して配置された一対の電極を有している。前記固定電極２は基板１の下面（Ｚ２側の面）に固定されている。前記基板１にはスルーホール１ａが穿設されている。前記固定電極２には前記スルーホール１ａに対向する貫通穴２ａが形成されている。前記スルーホール１ａ内には突出部材５が設けられており、突出部材５の一端が貫通穴２ａに挿通されている。突出部材５の一方の端面は、前記固定電極２の下面側に設けられ弾性変形部材４のＺ１側の面（表面）に接している。

この実施の形態では、前記突出部材５の長さ寸法が、基板１の板厚寸法以下に収まるように設定されており、アクチュエータが非駆動状態にあるときには前記突出部材５はスルーホール１ａ内に埋もれた状態にある。ただし、前記突出部材５の長さ寸法が基板１の板厚寸法以上に設定されており、非駆動状態において前記突出部材５がスルーホール１ａから基板表面に突出しており、動作状態になるとさらに突出量が大きくなる構成でもよい。

可動電極３はフレキシブル性に優れたポリマー製のフィルム６、例えばＰＥＴフィルムやポリイミドフィルムの一面に形成されている。すなわち、可動電極３はフィルム６の一面に金属、あるいはＩＴＯなど導電性の金属酸化物をスパッタ又は蒸着などの手段を用いて成膜することにより形成されている。前記可動電極３は少なくとも膜厚方向（Ｚ）方向に変形することが可能である。また図１Ａに示す実施の形態では、可動電極３の中心に前記貫通穴２ａに対向する対向孔３ａが形成されているが、この対向孔３ａは設けられていない構成であってもよい。

弾性変形部材４は固定電極２と可動電極３との間に設けられている。弾性変形部材４はシリコーン樹脂系のエラストマ、あるいはアクリル樹脂系のエラストマなどからなるとともに、柔らかく伸縮性ないしは弾力性を有する成形体で形成されている。図１Ｂに示すように、本実施の形態における弾性変形部材４は平面的に長方形状をしているが、これ以外の形状で形成されていてもよい。

図１Ａに示すように、弾性変形部材４は、その長手方向（Ｘ方向）の両端に図示Ｚ２側の表面４Ａから側面４Ｂ，４Ｂ方向に向かうにしたがって徐々に肉厚寸法が薄くなる傾斜面で形成された応力制御部４ａ，４ａを有している。そして、前記可動電極３は前記弾性変形部材４の形状に倣いながら前記表面４Ａに密接している。前記可動電極３のうち、応力制御部４ａ，４ａに倣う部分に対向して傾斜状に形成された部分が制御電極３ｂ，３ｂである。

なお、図１Ａに示すように、フィルム６が可動電極３の下面側から側方に延びる延長部６ａを有し、この延長部６ａが可動電極３および弾性変形部材４の側面４Ｂに倣いながら基板１の下面まで延びており、前記基板１の下面に接着固定される構成が好ましい。

このような構成では、固定電極２および可動電極３の側方の端部をフィルム６で覆うことができるため、電極間距離が縮んだときに弾性変形部材４が固定電極２と可動電極３との対向する領域から外部側方へ押し出されて逃げるのを防止することができる。このため、突起部材５をＺ１方向に押し出す力を大きくすることが可能となる。また電極間の電位差が０の場合（静電力ｆが０の場合）に、弾性変形部材４や可動電極３が、前記固定電極２と対向する位置から位置ずれしてしまうような不具合の発生を防止することが可能となる。

前記基板１およびフィルム６上には、図示しないパターン線がそれぞれ形成されており、固定電極２および可動電極３に接続されている。

可動電極３と弾性変形部材４との間は接着剤などを介して固着された状態とは異なり、非接着状態にある。同様に固定電極２と弾性変形部材４との間も非接着状態にある。

しかも、可動電極３の表面と弾性変形部材４と表面４Ａとの間（界面）、固定電極２の表面と弾性変形部材４の表面との間（界面）は、摩擦抵抗を小さくする表面処理が施されている。例えば、可動電極３と弾性変形部材４の界面に、フッ素を含む潤滑剤が塗布され、薄い被膜が形成されている。あるいは界面活性剤などを用いたものであってもよい。さらには弾性変形部材４を形成するときに、フッ素系の潤滑剤を混入させることにより、各電極との間の摩擦抵抗を低減させるようにした構成であってもよい。また、可動電極３と弾性変形部材４の少なくとも一方の表面に化学処理を行ってフッ化物などの摩擦力が小さくなる官能基をもたせてもよい。このような表面処理により、固定電極２と弾性変形部材４との間、および可動電極３と弾性変形部材４との間の各摩擦抵抗は小さな状態にある。

このように、弾性変形部材４の表面４Ａと固定電極２及び可動電極３の表面との間の摩擦抵抗を小さく設定することにより、弾性変形部材４は固定電極２及び可動電極３に対して滑りやすくなる。よって、弾性変形部材４は固定電極２上及び可動電極３上を、各電極と平行となるＸ方向に容易に変形することができ、充分な変位量を得ることが可能である。

このため、弾性変形部材４のＸ方向の変形が、変形を伴わない固定電極２や可動電極３によって妨げられることを防止できる。よって、応答性の速いアクチュエータとすることが可能となる。

上記アクチュエータの動作について説明する。
図２に示すように、固定電極２と可動電極３との間に制御手段（図示せず）を用いて電位差を与えて電界を発生させると、固定電極２と可動電極３との間に静電力ｆが互いに引き合う図示Ｘ方向に発生する。

このとき、固定電極２と可動電極３との間の電極間距離は、前記制御電極３ｂ，３ｂの両側端が最も狭く、前記固定電極２と平行をなすとともに前記制御電極３ｂ，３ｂの内側となる部分が最も広い。このため、静電力ｆは、電極間距離の狭い前記制御電極３ｂ，３ｂの両側端側が最も大きく、固定電極２と平行をなす前記制御電極３ｂ，３ｂの内側部分（貫通穴２ａおよび対向孔３ａの近傍）が最も小さい。

よって、可動電極３は、最初に大きな静電力ｆを受ける制御電極３ｂ，３ｂの両端部が固定電極２に対して接近する方向（電極間距離が縮む方向）に変形させられる（圧縮変形）。続いて、前記制御電極３ｂ，３ｂが縮む方向に変形させられ、さらに前記固定電極２と平行をなす電極部分（制御電極３ｂ，３ｂの内側部分）が縮む方向に変形させられる。すなわち、図１Ａ，図２および図３の順に示すように、固定電極２と可動電極３との電極間距離は、幅方向の両端部から中央に向かう方向に向かって連続的に縮むように変形させられる。

このとき、固定電極２と可動電極３との間では、弾性変形部材４が膜厚（Ｚ）方向に収縮させられるとともに、面と平行を成す幅（Ｘ）方向（紙面に垂直となる方向も同様）には膨張するように変形させられる。ただし、上述したように固定電極２および可動電極３の側方の端部はフィルム６で覆われているため、電極間距離が縮んだときに弾性変形部材４が固定電極２と可動電極３との対向する領域から外部側方へ押し出されることが防止されている。よって、この間に設けられた弾性変形部材４が前記幅方向の両端部から中心部の貫通穴２ａに向かって徐々に絞り出されるように変形させられる。そして、弾性変形部材４の一部が貫通穴２ａを通じてスルーホール１ａ内に入り込む。そして、図２に示すように、突出部材５の端面が前記弾性変形部材４によって図示Ｚ１方向に持ち上げられるため、突出部材５の先端を前記スルーホール１ａから基板１の表面上に突出させることができる。

このように本願発明のアクチュエータでは、前記弾性変形部材４の厚みを部分的に薄く形成することにより、静電力ｆが発生したときに弾性変形部材４が最初に変形を開始する箇所を予め定めておくことができる。これにより、電極間に一定の電位差を与えれば、弾性変形部材４が変形する方向および大きさを一定とすることが可能となる。このため、可動電極３を形成するフィルム６に皺やクラックが形成され難くすることが可能とされている。

さらに、弾性変形部材４が変形する方向および大きさが一定にできることから、突出部材５の突出量、さらには突出部材５の応答周波数を安定させることも可能である。

図３に示すように、さらに電極間に与える電位差を大きくして静電力ｆを増大させると、貫通穴２ａを通じてスルーホール１ａ内に至る弾性変形部材４を増量させることができる。このため、突出部材５の突出量ｈを増大させることができる。また電位差を０に戻すと、前記弾性変形部材４自身が有する復元力により、前記電極間距離を初期状態に戻すことが可能である。このため、突出部材５を前記スルーホール１ａの内部に戻すことができる。

すなわち、固定電極２と可動電極３とからなる一対の電極間に与える電位差を可変制御することにより、突出部材５を進退自在に制御することができ、しかも突出部材５の突出量ｈも制御できる。さらには、与える電位差の周波数を可変制御することにより、突出部材５が進退するときの駆動周波数を調整することも可能である。

ところで、可動電極３の膜厚（Ｚ）方向への変位量が大きく、前記フィルム６に無理な力が作用するような場合には、上記のように弾性変形部材４が変形する方向および大きさを一定としただけではフィルム６に形成される皺やクラックの発生を防止しきれない場合もある。

そこで、以下にはこのような場合の対応策について説明する。
図４はアクチュエータを図１の矢印α方向から見た状態を示すとともに可動電極の他の実施の形態を示す平面図である。図４に示すように、この実施の形態では、×形状を形成する複数の切欠部６ｂが、可動電極３が形成されるフィルム６上にあらかじめ形成されている。

このように、フィルム６上で且つ前記可動電極３と重なる位置に切欠部６ｂを部分的に形成しておくと、前記可動電極２が膜厚（Ｚ）方向に変形したときに、切欠部６ｂが前記フィルム６に作用しようとする無理な力を逃すことができる。このため、フィルム６に皺やクラックが入ることを未然に防止することができる。

なお、皺やクラックがどのように形成されるかは、前記応力制御部４ａ，４ａや制御電極３ｂ，３ｂの位置、大きさ、範囲、さらには一対の電極間に与える電位差の大きさや時間などの各種のパラメータに依存する。このため、切欠部６ｂの形状は、図４に示す×形状に限定されるものではなく、これら各種のパラメータを考慮し、個々のアクチュエータごとに決定することが可能である。

上記実施の形態では、アクチュエータを形成する一対の電極の一方を固定電極２、他方を可動電極３とする構成を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、少なくとも一方の電極が可能電極で形成されていればよく、一対の電極が共に可動電極で構成されているものであってもよい。

また上記実施の形態では、突出部材５が一対の電極が変形する方向である膜厚（Ｚ）方向に進退させられる構成を示したが、本発明は前記膜厚（Ｚ）方向と直交する幅（Ｘ）方向、あるいは紙面と直交する方向に移動させられる構成であってもよい。

例えば、一対の電極としてそれぞれ円形に形成された固定電極２および可動電極３を対向配置するとともに、円の中心部の電極寸法を薄く形成しておく。このような実施の形態のアクチュエータでは、前記一対の電極間に電位差を与えると、弾性変形部材が中心部から外周方向に向かって均等に押し出される。

このため、弾性変形部材の外周部に半径方向に移動可能な突出部材を放射状に複数配置しておくと、一度に全ての突出部材を外周方向に突出させることが可能となる。

本発明の実施の形態を示すアクチュエータの断面図、 弾性変形部材を示す平面図、 アクチュエータの動作状態を示す図１Ａ同様の断面図、 図２の動作状態からさらに動作を進めた状態を示す図１Ａ同様の断面図、 アクチュエータを図１の矢印α方向から見た状態を示すとともに可動電極の他の実施の形態を示す平面図、

符号の説明

１ 基板
１ａ スルーホール
２ 固定電極
２ａ 貫通穴
３ 可動電極
３ａ 対向孔
３ｂ 制御電極部
４ 弾性変形部材
４ａ 応力制御部
４Ａ 表面
４Ｂ 側面
５ 突出部材
６ フィルム
６ａ 延長部
６ｂ 切欠部
ｆ 静電力

Claims (8)

1. 対向配置された一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられた弾性変形部材とを有するアクチュエータにおいて、
   前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極と前記弾性変形部材とは非接着状態で接するとともに、この間に摩擦抵抗を小さくする表面処理が施されていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記弾性変形部材には、前記弾性変形部材のその他の箇所よりも膜厚寸法を薄く形成した応力制御部が設けられている請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記表面処理は、前記弾性変形部材と前記電極との界面に設けられた潤滑剤である請求項１または２記載のアクチュエータ。
4. 前記弾性変形部材に潤滑剤が含まれている請求項１または２記載のアクチュエータ。
5. 前記潤滑剤がフッ素を含むものである請求項３または４記載のアクチュエータ。
6. 前記弾性変形部材は、シリコーン系のエラストマで形成されている請求１ないし５のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. 前記電極は、フィルムの一面に金属または導電性の金属酸化物を成膜したものである請求項１ないし６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 前記フィルムに切欠部が形成されている請求項７記載のアクチュエータ。

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