WO2012160918A1 - アクチュエータ，アクチュエータモジュール及びアクチュエータシステム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a linear actuator, an actuator module using the linear actuator, and an actuator system.
- a dielectric elastomer actuator reported by SRI International is one of the promising candidates for an actuator that can be used for such a wearable assist robot (Non-patent Document 1).
- a dielectric elastomer actuator is an actuator having a structure in which stretchable electrodes are laminated on the front and back surfaces of a film-like elastomer material. When a voltage is applied to the electrode on the front surface and the electrode on the back surface, this actuator generates a Coulomb attractive force between the electrodes, and is deformed to compress the elastomer film with the two electrodes.
- Dielectric elastomer actuators are said to have a high output energy density and operate at high speed, and may be lightweight and highly controllable.
- Dielectric elastomer actuator operates using elastic elastic deformation of elastomer material.
- the elastic modulus of an elastomeric material is highly dependent on temperature. Therefore, depending on the elastomer material, there is a problem that the deformation characteristics, that is, the actuator characteristics of the dielectric elastomer actuator, change when the temperature of the usage environment changes. In particular, since it hardens in a low temperature environment, the amount of deformation decreases even if the same voltage is applied depending on the material.
- At least one of the electrodes attached on both sides of the elastomer film to function as a heater is also controlled as a heater to control the actuator operating temperature. That is, Joule heat is generated by passing a current from one end of the electrode for deforming the elastomer film to the other end, and it is used as a heater.
- the actuator according to the present invention has a film made of a dielectric elastomer material, a first electrode having stretchability formed on the first surface of the film, and a stretchability formed on the second surface of the film.
- a current for Joule heating is passed through the first electrode The wiring is connected.
- a first power supply for supplying a current for Joule heating is connected to the wiring of the first electrode, and a second power supply for applying a voltage for actuator operation is connected to the second electrode.
- the temperature of the first electrode is estimated from the current value when the first voltage is applied to the first electrode from the first power source, and if the temperature is equal to or lower than a predetermined temperature, the first A second voltage higher than the first voltage is applied from the power source to the first electrode to bring the first electrode to a predetermined temperature or higher by Joule heating, and then a voltage is applied from the second power source to the second electrode. To activate the actuator.
- FIG. 6 is a schematic perspective view of a conventional dielectric elastomer actuator.
- the basic wiring diagram of the conventional dielectric elastomer actuator. 1 is a schematic perspective view showing a basic structure of a dielectric elastomer actuator of the present invention.
- Schematic shows the example of the shape of a dielectric elastomer actuator.
- Schematic which shows the example of the shape of a dielectric elastomer actuator Schematic which shows the example of the shape of a dielectric elastomer actuator.
- movement flow for operating the dielectric elastomer actuator of this invention Schematic showing the circuit of the dielectric elastomer actuator of this invention.
- Schematic showing the circuit of the dielectric elastomer actuator of this invention Schematic showing the circuit of the dielectric elastomer actuator of this invention.
- FIG. 1 is a schematic perspective view of a laminated dielectric elastomer actuator of the present invention. Schematic showing the wiring of the laminated dielectric elastomer actuator of the present invention.
- Example 1 In Example 1, the basic structure and method of use of the actuator of the present invention will be described.
- FIG. 1A is a schematic perspective view showing a basic structure of a conventional dielectric elastomer actuator
- FIG. 1B is a basic wiring diagram of the conventional dielectric elastomer actuator.
- a conventional dielectric elastomer actuator 100 has a structure in which a top working electrode 2 and a bottom working electrode 3 are attached to both surfaces of a dielectric elastomer film 1.
- the upper surface working electrode 2 is connected to the upper surface electrode wiring 4 for connection to the high voltage power source 6, and the lower surface working electrode 3 is connected to the lower surface electrode wiring 5 for electrical grounding.
- the stress P in the z direction due to the Coulomb attractive force generated between the upper surface working electrode 2 and the lower surface working electrode 3 can be expressed as follows using the applied voltage V. .
- ⁇ 0 is the dielectric constant of vacuum
- ⁇ is the relative dielectric constant of the dielectric elastomer film 1
- d is the distance between the upper surface working electrode 2 and the lower surface working electrode 3.
- the distance d between the upper surface working electrode 2 and the lower surface working electrode 3 is the same as the thickness of the dielectric elastomer film 1.
- the deformation rate ⁇ in the z direction due to the stress P can be approximately expressed as follows.
- Equation (2) Y is the elastic modulus of the dielectric elastomer film 1.
- Equation (3) the deformation rate in the x and y directions can be expressed by equation (4).
- a material having an elastic modulus of 0.1 MPa to 10 MPa and an elongation of 80% or more is used as an elastomer material that is a material of the dielectric elastomer film.
- An elastomer characteristic having a small elastic modulus is exhibited at a temperature higher than the vicinity of the glass transition temperature Tg, and a glass characteristic having a large elastic modulus is exhibited at a temperature lower than the vicinity of the glass transition temperature Tg.
- the elastic modulus increases rapidly at lower temperatures near the glass transition temperature Tg.
- the dielectric elastomer actuator when operated at a certain voltage, the deformation rate is remarkably reduced when operated at a temperature lower than the glass transition temperature Tg compared to when operated at a temperature higher than the glass transition temperature Tg. I mean. Therefore, in order to operate the dielectric elastomer actuator largely and stably, it is necessary to use it in a region where the temperature dependence of the elastic modulus is sufficiently small at a temperature higher than the glass transition temperature Tg. In this example, the actuator was used in a temperature region where the change in the elastic modulus with respect to the temperature of the dielectric elastomer was 10% or less.
- the glass transition temperature Tg is a physical quantity that depends on the material type. For example, many silicon-based elastomers have a glass transition temperature Tg of ⁇ 50 ° C. or lower, but acrylic elastomers with low elastic modulus at room temperature have a glass transition temperature Tg of about 0 ° C. to ⁇ 20 ° C., which is close to room temperature. There are many. When a dielectric elastomer actuator with such a glass transition temperature Tg close to room temperature is used in a cold region, the elastomer film becomes glassy, and the amount of deformation, that is, the actuator operation may be significantly smaller than when operated at room temperature. There is sex.
- the actuator temperature is equal to or higher than the set temperature higher than the glass transition temperature Tg.
- FIGS. 2A and 2B The basic structure of the actuator of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A and 2B.
- 2A is a schematic perspective view showing the basic structure of the dielectric elastomer actuator of the present invention
- FIG. 2B is a basic wiring diagram of the dielectric elastomer actuator of the present invention.
- the dielectric elastomer actuator 7 of the present invention has a structure in which an upper surface working electrode 2 and a lower surface working electrode 3 having elasticity are laminated on both surfaces of the dielectric elastomer film 1 as in the conventional dielectric elastomer actuator 100 shown in FIG. 1A. .
- the upper surface working electrode 2 is connected to the upper surface electrode wiring 4 for connection to the high voltage power source 6, and the lower surface working electrode 3 is connected to the lower surface electrode wiring 5 for electrical grounding.
- the difference in structure between the conventional dielectric elastomer actuator 100 and the dielectric elastomer actuator 7 of the present invention is that the lower surface operating electrode 3 is used as a heater by Joule heat, so that the wiring outlet is not only the lower surface electrode wiring 5 but also the lower surface electrode.
- the lower electrode heater wiring 8 is provided at a position facing the lower electrode wiring 5 of the working electrode 3.
- a power source 9 is connected to the lower electrode heater wiring 8 via an ammeter 10.
- the lower surface working electrode 3 When the dielectric elastomer actuator is used at an environmental temperature below the glass transition temperature Tg, the lower surface working electrode 3 is used as a heater. That is, a voltage is applied from the power source 9 connected to the lower electrode heater wiring 8 to the lower electrode wiring 5 that is electrically grounded. As a result, a current flows in the lower surface working electrode 3, and the lower surface working electrode 3 generates heat due to Joule heat. When the lower surface working electrode 3 generates heat, the dielectric elastomer film 1 is heated to a temperature higher than the glass transition temperature Tg, and a stable operation can be obtained.
- the lower surface working electrode 3 having elasticity is used as a heater by Joule heat.
- the energy rate W of Joule heat is V when the applied voltage is R and the electric resistance of the heater is R.
- a polymer composite material of conductive fine particles whose electric conductivity can be easily adjusted is used as the material of the lower surface working electrode 3.
- the conductive fine particles carbon materials such as carbon fine particles, carbon fibers, and carbon nanotubes, and metal materials such as gold, platinum, and silver can be used. Since the polymer as the matrix needs to be deformed according to the deformation of the dielectric elastomer film, flexibility is required. Therefore, acrylic, silicon, urethane, styrene elastomer materials, high viscosity materials such as silicon grease, etc. can be used.
- a single carbon-based fine particle material such as carbon fine particle, carbon fiber, or carbon nanotube can be used as the material for the lower surface working electrode 3.
- Carbon fine particles are added to a solution of acrylic elastomer skeleton molecules in an organic solvent and stirred to produce a carbon fine particle polymer composite ink.
- the produced ink is printed on the surface of the dielectric elastomer material film by a screen printing method.
- printing can also be performed by a pattern drawing method using a dispenser or inkjet.
- the electrode using carbon fine particles and acrylic elastomer can be made by baking and drying to evaporate the organic solvent.
- carbon fine particles are used as the conductive fine particles.
- carbon fine particles such as carbon fibers and carbon nanotubes, and metal materials such as gold, platinum, and silver can be used in the same manner.
- it can be similarly produced by using a silicon-based, urethane-based or styrene-based elastomer material instead of the acrylic elastomer.
- high viscosity material such as silicone grease is used instead of elastomer, it is not necessary to bake after printing.
- the electric resistance as an electrode tends to be higher than that of the metal fine particles, but a lightweight electrode can be produced.
- an elastomer solution is used for the matrix, an extra baking step is required compared to when grease is used, but it is easy to make an electrode with finely dispersed fine particles.
- FIG. 4 shows the dependence of the typical electrical conductivity of the conductive fine particle polymer composite material used in the present invention on the content of the conductive fine particles. It can be seen that the electric conductivity can be adjusted by adjusting the content of the conductive fine particles.
- FIG. 5 shows the temperature dependence of typical electrical conductivity of a polymer composite material of conductive fine particles. As the temperature increases, the electrical conductivity increases. Using this property, the temperature of the dielectric elastomer actuator can be estimated by measuring the resistance value of the lower surface working electrode 3.
- FIGS. 6A to 6C are schematic diagrams showing shapes of some of the dielectric elastomer actuators of the present invention as viewed from the lower surface working electrode 3 side.
- the shape of the dielectric elastomer actuator is not limited to the circular shape as shown in FIG. 6A, but may be a polygonal shape such as a quadrangle as shown in FIG. 6B as needed.
- FIG. 6C when the low resistance region 11 is provided on the side where the lower electrode wiring 5 and the lower electrode heater wiring 8 of the lower operation electrode 3 are connected, Since the electric flux distribution is uniform, it is desirable that the lower surface working electrode 3 can be heated uniformly.
- FIG. 7 shows an example of an operation flow for operating the dielectric elastomer actuator of the present invention.
- the resistance value of the lower surface working electrode 3 is measured (S11), and the temperature is estimated (S12). If the temperature is lower than the temperature required for the stable operation set in advance (S13), the lower surface working electrode is heated to heat the dielectric elastomer actuator (S14). After heating, the resistance of the lower working electrode is again measured and compared with the lower working electrode temperature and the set value. This process is repeated until the lower surface working electrode temperature becomes higher than the set value. When the temperature becomes higher, a voltage is applied to the upper surface working electrode to operate the actuator (S15).
- the lower surface working electrode 3 is not heated, that is, the actuator is operated while the lower surface working electrode 3 is heated in addition to the method of operating the actuator without applying a voltage from the power source 9. It is also possible to make it.
- the voltage value supplied from the power source 9 for heating the lower surface working electrode 3 is sufficiently small to about 1 or less, which is sufficient for heating the lower surface working electrode 3 with respect to the voltage value supplied from the high voltage power source 6 for actuator operation.
- the electrical resistance of the lower surface working electrode 3 may be adjusted. By doing so, a potential distribution is generated in the lower surface working electrode 3 during heating, but it can be made sufficiently smaller than the potential difference with the upper surface working electrode 2 when the actuator is operated. Therefore, when a potential is applied to the upper surface working electrode 2 for operation, the two electrodes 2 and 3 can be contracted substantially uniformly.
- a fuse 13 is inserted between the high voltage power source 6 and the upper surface working electrode 2 as shown in FIG. 8A so that the power source 9 is not affected even if the upper surface working electrode 2 and the lower surface working electrode 3 are short-circuited. It is desirable to attach the surge prevention circuit 12 like 8B.
- Example 2 In the second embodiment, a basic structure and usage method of an actuator module using the actuator of the present invention will be described.
- FIGS. 9A to 9C are schematic views showing one embodiment of the dielectric elastomer actuator module of the present embodiment.
- 9A is a schematic plan view seen from the upper surface working electrode side
- FIG. 9B is a schematic plan view seen from the lower surface working electrode side
- FIG. 9C is a schematic perspective view seen from the upper surface working electrode side.
- the dielectric elastomer actuator module 20 is provided with an upper surface working electrode 2 and a lower surface working electrode 3 having elasticity on both surfaces of the dielectric elastomer film 1, and the upper surface electrode 4 for connecting to the high voltage power source 6 is connected to the upper surface working electrode 2.
- the lower surface electrode 3 is connected to the lower surface electrode 3 for electrical grounding.
- a low resistance region 11 is provided on the side of the lower surface working electrode 3 where the lower surface electrode wiring 5 and the lower surface electrode heater wiring 8 are connected.
- hard fixtures 22 are connected to both ends in the direction in which the dielectric elastomer film 1 extends by application of an actuator voltage. The fixture 22 is for using the deformation of the actuator to move an external load.
- the external wiring 21 is connected to the upper surface electrode wiring 4 of the dielectric elastomer actuator module 20, the external wiring 23 is connected to the lower surface electrode wiring 5, and the external wiring 24 is connected to the lower surface electrode heater wiring 8.
- FIG. 10A to 10C are schematic views showing an example of the operation of the dielectric elastomer actuator module 20.
- FIG. The external wiring 23 of the dielectric elastomer actuator module 20 is electrically grounded, the external wiring 24 is connected to the power source 9 via the switch 25 and the ammeter 10, and the external wiring 21 is connected to the high voltage power source 6 via the switch 26. .
- both the switches 25 and 26 are open (FIG. 10A).
- the switch 25 is closed, a small voltage of about 5V is applied so that the lower surface working electrode does not generate heat, and the resistance of the lower surface working electrode is measured to estimate the temperature (FIG. 10B).
- a voltage of about 50 V is applied from the power source 9 to heat the lower surface working electrode.
- the switch 26 is closed, and a voltage of about 1 kV is applied to the upper surface working electrode from the high voltage power source 6 so that the dielectric elastomer actuator module 20 is extended. (FIG. 10C).
- the voltage applied from the power source 9 is adjusted to a constant temperature.
- a high voltage power source is used in a room temperature environment around 20 ° C.
- 1 kV was applied from No. 6, an extension operation of 50 mm could be performed.
- 1 kV was applied from the high voltage power source 6 without heating the lower surface working electrode 3 in an operating environment of ⁇ 10 ° C., no extension operation of 1 mm or more occurred. Therefore, when 50 V voltage was applied from the power source 9 to the lower surface working electrode 3 at 20 ° C. and the current was passed and heated, the extension operation of 50 mm, which was the same as the room temperature, could be stably obtained.
- this dielectric elastomer actuator module 20 is in the form of a film, if there is a load in the direction that hinders the stretching direction when stretched, the film is bent and it is difficult to move the load by stretching.
- FIG. 11A and FIG. 11B are schematic views of a dielectric elastomer actuator module that can move an external load even in a deformation operation at the time of extension.
- a pressing spring 27 is mounted between two fixtures 22 (FIG. 11A).
- the dielectric elastomer actuator module 28 is always loaded in the extending direction, and the load can be moved by the force of the push spring 27 even when there is a load in the direction that prevents the expansion during the extending (FIG. 11B).
- the structure equipped with this push spring can also be used for actuator modules in which dielectric elastomer actuators are stacked in multiple layers.
- Example 3 In the third embodiment, an actuator module using an actuator having a structure different from that of the second embodiment will be described.
- a method of laminating a dielectric elastomer actuator can be considered by analogy with a laminated piezoelectric actuator.
- Sensors Actuators A 155 (2009) 299-307 reported a production example of a laminated dielectric elastomer actuator module.
- Such a multilayer dielectric elastomer actuator has a problem that its operation is remarkably reduced below the glass transition temperature Tg, as in the case of a normal dielectric elastomer actuator.
- a laminated dielectric elastomer actuator module that operates stably even at low temperatures can be provided.
- 12A and 12B are diagrams showing the principle of the laminated dielectric elastomer actuator of this example.
- the figure shows an example in which five layers of dielectric elastomer actuators are stacked for easy understanding, but the number of stacked layers can be adjusted as necessary.
- 12A is a schematic perspective view showing the structure
- FIG. 12B is a schematic view showing the wiring.
- the laminated dielectric elastomer actuator 30 of this embodiment has a structure in which the dielectric elastomer actuator 7 shown in FIG. 2 of Embodiment 1 is laminated in the film thickness direction of the dielectric elastomer film, and the dielectric elastomer actuator of the lowermost layer.
- the heater operating electrode 31A having a stretchability also serving as a heater corresponding to the lower surface working electrode 3 of FIG. 2 of the first embodiment is formed on the lower surface, and the stretchability corresponding to the upper surface working electrode 2 of the first embodiment of FIG. A working electrode 32 ⁇ / b> A is installed.
- the operation electrode 32A common to the dielectric elastomer actuator of the bottom layer is installed on the lower surface, and the heater operation electrode 31B is installed on the upper surface.
- the third layer of dielectric elastomer actuator from the bottom has a heater operating electrode 31B common to the bottom layer of dielectric elastomer actuator, and a working electrode 32B on the top surface.
- the fourth layer of dielectric elastomer actuator from the bottom is provided with a working electrode 32B common to the bottom third layer dielectric elastomer actuator and a heater working electrode 31C on the top surface.
- the uppermost layer of the dielectric elastomer actuator has a heater operation electrode 31C common to the lowermost fourth layer dielectric elastomer actuator on the lower surface and an operation electrode 32C on the upper surface.
- the actuator operating electrode and the heater operating electrode are alternately shared between the dielectric elastomer actuators adjacent in the vertical direction.
- the lowermost layer heater operating electrode 31A is connected to the ground via a ground wiring 36A.
- the heater operating electrode 31A is connected to a heater power supply 34 via a heater wiring 35A.
- the operating electrode 32A is connected to the actuator operating high voltage power supply 33 via a high voltage power supply wiring 37A.
- the heater operation electrodes of the other layers are connected to the ground and the heater power supply 34 via the heater wiring, and the operation electrodes are also connected to the high voltage power supply 33 for actuator operation via the high voltage power supply wiring. ing.
- the operation procedure is the same as the method described in FIG. First, the temperature is estimated from the electric resistance value of the heater operating electrode. If the temperature is lower than the temperature required for the stable operation set in advance, the heater operating electrode is heated by applying a voltage from the heater power supply 34 to flow the current, thereby heating the dielectric elastomer actuator 30. After heating, the heater operating electrode temperature is again compared with the set value by measuring the resistance of the heater operating electrode. This process is repeated until the heater operating electrode temperature becomes higher than the set value. When the heater operating electrode temperature becomes higher than the set value, a voltage is applied to the operating electrode from the high voltage power source 33 to operate the actuator. Then, each layer is deformed, and a large contraction operation is obtained in the stacking direction as a whole.
- FIG. 13A and 13B are schematic perspective views showing the structure of the laminated dielectric elastomer actuator module and the appearance before and after the deformation operation.
- FIG. 13A shows a state before the deformation operation
- FIG. 13B shows a state after the deformation.
- the laminated dielectric elastomer actuator module has a structure in which the laminated dielectric elastomer actuator 30 described in FIG. 12 is sandwiched between non-stretchable fixtures 38 and 39 fixed to the upper and lower ends in the actuator lamination direction.
- the surface of the laminated dielectric elastomer actuator module 50 is provided with an external ground wiring 40 for connecting the ground wiring from each layer, an external heater wiring 41 for connecting the heater wiring, and an external high voltage power wiring 42 for connecting the high voltage power wiring. , Through the inside of the insulating fixture 38 and connected to the external wiring 43, 45, 44, respectively.
- the external wiring 43 is connected to the ground
- the external wiring 45 is connected to the heater power supply
- the external wiring 44 is connected to the high voltage power supply.
- the dielectric elastomer actuator module 50 in which 3000 layers of dielectric elastomer actuators having a film thickness of 0.03 mm and a diameter of 15 mm are laminated using an acrylic elastomer having a glass transition temperature of 0 ° C. as a dielectric elastomer film material, and the total length is 90 mm.
- 1 kV was applied from the high voltage power source 33 in the room temperature environment, the film could be extended by 40 mm in the stacking direction.
- 1 kV was applied from the high-voltage power supply 33 without heating the heater operating electrode in an operating environment of ⁇ 10 ° C., no extension operation of 1 mm or more occurred.
- the same 40 mm extension operation as that at room temperature could be stably obtained.
- Example 4 Since the actuator of the present invention is lightweight and flexible, it is expected to be applied to robots and wearable powered suits. In this embodiment, a system for bending and bending two arms connected by hinges corresponding to bending and stretching of a joint of a robot by wire drive using an actuator of the present invention will be described.
- FIG. 14 is a schematic diagram of the arm bending system of the present embodiment.
- the arm bending system 60 includes an arm part 61, an actuator part 62, and an actuator control part 63.
- the arm portion 61 is roughly composed of a hinge 64, an upper arm 65 connected to the hinge 64, a lower arm 66, and a wire 67 that transmits and converts the expansion / contraction motion of the actuator to the bending motion of the arm.
- a wire fixing portion 68 is mounted on the lower arm 66, and a wire guide 69 is mounted on the upper arm 65.
- One end of the wire 67 is fixed to the wire fixing portion 68, and the other end passes through the wire guide pulley 69 and is connected to the fixing tool 72 of the actuator portion 62.
- a load 79 is attached to the end of the lower arm 66 opposite to the hinge.
- the lower arm 66 can rotate (bend) around the hinge 64, but the upper arm 65 is fixed so as not to move.
- the actuator section 62 has a structure in which the upper and lower sides of the laminated dielectric elastomer actuator 70 are sandwiched between the fixtures 71 and 72, similar to the laminated dielectric elastomer actuator module 50 of the third embodiment.
- a ground wiring 73, an external heater wiring 74 for connecting the heater wiring, and an external high voltage power wiring 75 for connecting the high voltage power wiring are provided.
- the external ground wiring 73 is installed on the ground.
- the fixing tool 71 is fixed to the upper arm 65.
- the actuator control unit 63 includes a high voltage power supply 80, a heater resistance measuring ammeter 81, a heater power supply 82, and a controller 83.
- the high voltage power supply wiring 75 is connected to the high voltage power supply 80, and the external heater wiring 74 is connected to the heater power supply 82 via the heater resistance measuring ammeter 81.
- the high-voltage power supply 80, the heater resistance measuring ammeter 81, and the heater power supply 82 are connected to the controller 83 for control and measurement.
- the memory 84 connected to the controller 83 has the minimum temperature (set value) necessary for stable operation of the actuator, information indicating the temperature dependence of the elastic modulus of the elastomer material used in the actuator, and the function as a heater.
- Information indicating the relationship between the resistance value of the working electrode and the temperature is stored in the form of an arithmetic expression or a table. Instead of the information indicating the temperature dependence of the elastic modulus of the elastomer material, information on the applied voltage necessary for a desired actuator operation using the temperature as a parameter may be stored.
- the upper arm 65 and the lower arm 66 are circular with a cross section of a radius of 5 cm, the length from the hinge 64 at one end of the upper arm 65 to the other end is 40 cm, and from the hinge 64 at one end of the lower arm 66 The length up to the load 79 at the other end is 30 cm. Assuming that the load 79 is 10 kg, in order to bend the angle formed by the upper arm 65 and the lower arm 66 from 180 degrees to 90 degrees formed by the upper arm 65 and the lower arm 66 as shown in FIG. It is necessary to pull 67 up to 7.9 cm. At that time, a maximum force of about 590 N is required.
- the dielectric elastomer actuator 70 was prepared by laminating 10000 layers of dielectric elastomer actuators having a film thickness of 0.03 mm and a cross-sectional shape of 10 mm ⁇ 30 mm using an acrylic elastomer.
- the operation procedure is the same as the method described in FIG. First, 5 V is applied to the heater electrode from the heater power source 82, and the current value at that time is measured by the heater resistance measuring ammeter 81 and sent to the controller 83.
- the controller 83 converts the measured current value into a resistance value, and estimates the temperature of the heater electrode with reference to information indicating the relationship between the resistance value of the heater electrode and the temperature stored in the memory 84. If the temperature is lower than 20 ° C., which is a temperature required for the stable operation set in advance, the heater operating electrode is heated by applying a voltage of 50 V from the heater power supply 83 to flow the current, and the dielectric elastomer actuator 70 is Heat.
- the heater operating electrode resistance is again measured and compared with the heater operating electrode temperature and the set value. This process is repeated until the heater operating electrode temperature becomes higher than the set value, and when it becomes higher, a voltage is applied to the operating electrode from the high voltage power supply 80.
- the lower arm 66 rotated 90 degrees while lifting the load 79.
- the applied voltage required for the desired actuator operation changes depending on the actuator temperature at that time. Therefore, when precise control is required, it is stored in the memory 84 based on the estimated electrode temperature.
- the applied voltage may be adjusted by referring to information indicating the temperature dependence of the elastic modulus of the elastomer material being used or information on the applied voltage necessary for desired actuator operation using the temperature as a parameter.
- this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
- the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
- a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment.
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Abstract
低温環境でも安定して動作する軽量のフィルムアクチュエータを提供する。 エラストマーフィルム１の両面に取り付けた電極２，３の一方の電極３をヒータとしても機能させて，アクチュエータ動作温度を制御する。エラストマーフィルムをジュール熱によってガラス転移温度より高い温度に加熱して使用することで，安定したアクチュエータ動作を得る。
Description
本発明は，リニアアクチュエータ，それを用いたアクチュエータモジュール及びアクチュエータシステムに関する。
高齢化が世界的に進行している。それに伴い，高齢者の福祉政策や，介護問題，労働問題など様々な問題が顕在化しつつある。このような問題を解決するため，人の機能をアシストするロボットが注目されている。たとえば，装着することで下肢機能や上肢機能をアシストするロボットが報告されている。このような装着型のアシストロボットには装着性のよさや，人の意思どおりに動作することが必要である。そのため，このようなロボットに使用するアクチュエータには，制御性と軽量性の両方が必要とされる。
このような装着型のアシストロボットに使用可能なアクチュエータの有力な候補のひとつにＳＲＩインターナショナルが報告した誘電エラストマーアクチュエータがある（非特許文献１）。誘電エラストマーアクチュエータとは，フィルム状エラストマー材料に対し，表面と裏面に伸縮性がある電極を積層した構造のアクチュエータである。このアクチュエータは表面の電極と裏面の電極に電圧を印加すると，電極間にクーロン力引力が発生し，２つの電極でエラストマーフィルムを圧縮するように変形する。誘電エラストマーアクチュエータは出力エネルギー密度が高く，高速で動作するといわれており，軽量で制御性の高いアクチュエータとなる可能性がある。
Ron Pelrine, Roy Kornbluh, Qibing Pei, Jose Joseph; High-Speed Electrically Actuated Elastomers with Strain Greater Than 100%; Science, vol. 287, p.836 (2000)
誘電エラストマーアクチュエータは，エラストマー材料のゴム弾性変形を用いて動作する。エラストマー材料の弾性率は温度に大きく依存する。そのため，エラストマー材料によっては，使用環境の温度が変わると変形特性，すなわち誘電エラストマーアクチュエータのアクチュエータ特性が変わってしまうという問題があった。特に低温環境では硬化するため，材料によっては同じ電圧を印加しても変形量が少なくなる。
このような問題を解決するため，本発明では変形させるためにエラストマーフィルムの両面に取り付けた電極の少なくとも一方をヒータとしても機能させて，アクチュエータ動作温度を制御する。すなわち，エラストマーフィルムを変形させるための電極の一方の端から他方の端まで電流を流すことによりジュール熱を発生させ，ヒータとして使用する。
すなわち，本発明によるアクチュエータは，誘電エラストマー材料からなるフィルムと，フィルムの第１の面に形成された伸縮性を有する第１の電極と，フィルムの第２の面に形成された伸縮性を有する第２の電極とを有し，第１の電極と第２の電極間への電圧印加によりフィルムが圧縮されるように変形するアクチュエータにおいて，第１の電極に，ジュール加熱のための電流を流す配線が接続されているものである。
第１の電極の上記配線には，ジュール加熱のための電流を供給する第１の電源が接続され，第２の電極にはアクチュエータ動作のための電圧を印加する第２の電源が接続される。
そして，第１の電源から第１の電極に第１の電圧を印加したときの電流値から第１の電極の温度を見積もり，その温度が予め決めた所定の温度以下であれば，第１の電源から第１の電極に第１の電圧より高い第２の電圧を印加して第１の電極をジュール加熱によって所定の温度以上とし，その後，第２の電源から第２の電極に電圧印加してアクチュエータ動作させる。
本発明によれば，低温環境でも安定して動作することができる誘電エラストマーアクチュエータモジュールを提供することができる。
上記した以外の，課題，構成及び効果は，以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下，図面を参照して本発明の実施の態様を説明する。
[実施例１]
実施例１では，本発明のアクチュエータの基本的な構造及び使用方法について説明する。
実施例１では，本発明のアクチュエータの基本的な構造及び使用方法について説明する。
はじめに，アクチュエータの基本的な構造について説明する。図１Ａは従来の誘電エラストマーアクチュエータの基本構造を表す斜視概略図，図１Ｂは従来の誘電エラストマーアクチュエータの基本配線図である。
図１Ａに示すように，従来の誘電エラストマーアクチュエータ１００は誘電エラストマーフィルム１の両面に上面動作電極２及び下面動作電極３が取り付けられた構造を持つ。上面動作電極２には高圧電源６と接続するための上面電極配線４が，下面動作電極３には電気的に接地するための下面電極配線５が接続されている。
アクチュエータ動作をさせるときは，高圧電源６より上面動作電極２と下面動作電極３の間に電圧を印加する。このことにより上面動作電極２と下面動作電極３の間にクーロン引力が働き，誘電エラストマーフィルム１が変形する。この変形をアクチュエータ動作に使用する。
図１ＡのようにＸＹＺ軸を取った場合，上面動作電極２と下面動作電極３の間に発生するクーロン引力によるｚ方向の応力Ｐは，印加電圧Ｖを用いて次のように表わすことができる。
ここで，ε0は真空の誘電率，εは誘電エラストマーフィルム１の比誘電率，ｄは上面動作電極２と下面動作電極３との間の距離である。誘電エラストマーアクチュエータの場合，上面動作電極２と下面動作電極３との間の距離ｄは，誘電エラストマーフィルム１の厚さと同じである。また，この応力Ｐによるｚ方向の変形率σは，近似的に次のように表すことができる。
式(2)で，Ｙは誘電エラストマーフィルム１の弾性率である。
式(1)及び式(2)より，変形率σzは式(3)のように近似的に表すことができる。また，変形した時のエラストマーフィルムの体積が一定と考えた場合，ｘ，ｙ方向の変形率は式(4)で表すことができる。
式(3)及び式(4)式より，同じ電圧を印加しても弾性率Ｙが異なると変形率σも異なることがわかる。
本発明では，誘電エラストマーフィルムの材料となるエラストマー材料として，弾性率が０．１ＭＰａから１０ＭＰａ，伸び率が８０％以上の材料を使用する。エラストマー材料の弾性率の温度依存性の典型例を図３に示す。一般に，ガラス転移温度Ｔｇ付近より高温では，弾性率の小さなエラストマー特性を示し，ガラス転移温度Ｔｇ付近より低温では，弾性率が大きいガラス特性を示す。特に，ガラス転移温度Ｔｇ付近より低温では弾性率が急激に増加する。このことは，ある電圧で誘電エラストマーアクチュエータを動作させる場合，ガラス転移温度Ｔｇ付近より低温で動作させると，ガラス転移温度Ｔｇ付近より高温で動作させた時と比べ，変形率が著しく小さくなることを意味している。したがって，誘電エラストマーアクチュエータを大きく安定して動作させるには，ガラス転移温度Ｔｇより高温で弾性率の温度依存性が充分小さくなった領域で使用する必要がある。本実施例では，誘電エラストマーの温度に対する弾性率の変化が１０％以下になる温度領域でアクチュエータを使用した。
ガラス転移温度Ｔｇは材料種に依存する物理量である。例えば，シリコン系エラストマーではガラス転移温度Ｔｇが－５０℃以下のものが多いが，室温で弾性率が低いアクリル系エラストマーの場合，ガラス転移温度Ｔｇは０℃から－２０℃程度と室温に近いものが多い。このようなガラス転移温度Ｔｇが室温に近い誘電エラストマーアクチュエータを寒冷地で使用すると，エラストマーフィルムがガラス状態となり，変形量，すなわちアクチュエータ動作が室温で動作させた時と比べ，著しく小さくなってしまう可能性がある。
本発明によれば，動作電極に電流を流し，ジュール熱によりアクチュエータを内部から加熱することで，外部環境がガラス転移温度Ｔｇ以下であっても，アクチュエータ温度をガラス転移温度Ｔｇより高い設定温度以上にして，室温での使用時と同等の安定した動作をさせることができる。
本発明のアクチュエータの基本的な構造について，図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図２Ａは本発明の誘電エラストマーアクチュエータの基本構造を表す斜視外略図，図２Ｂは本発明の誘電エラストマーアクチュエータの基本配線図である。
本発明の誘電エラストマーアクチュエータ７は，図１Ａに示した従来の誘電エラストマーアクチュエータ１００と同様，誘電エラストマーフィルム１の両面に伸縮性を有する上面動作電極２及び下面動作電極３が積層された構造を持つ。上面動作電極２には高圧電源６と接続するための上面電極配線４が，下面動作電極３には電気的に接地するための下面電極配線５が接続されている。
従来の誘電エラストマーアクチュエータ１００と本発明の誘電エラストマーアクチュエータ７との構造の違いは，下面動作電極３をジュール熱によるヒータとしても使用するため，配線の取り出し口が下面電極配線５だけでなく，下面動作電極３の下面電極配線５と対向する位置に下面電極ヒータ配線８が設置されているところにある。下面電極ヒータ配線８には電流計１０を介して電源９が接続されている。
誘電エラストマーアクチュエータをガラス転移温度Ｔｇ以下の環境温度で使用する際は，下面動作電極３をヒータとして使用する。すなわち，下面電極ヒータ配線８に接続された電源９より，電気的に接地している下面電極配線５に対して電圧を印加する。これにより，下面動作電極３内に電流が流れ，下面動作電極３がジュール熱により発熱する。下面動作電極３が発熱することにより誘電エラストマーフィルム１が加熱され，ガラス転移温度Ｔｇ以上にすることができ，安定した動作が得られる。
このように本発明では，伸縮性を有する下面動作電極３をジュール熱によるヒータとして使用するが，ジュール熱のエネルギー率Ｗは，印加した電圧をＶ，ヒータの電気抵抗をＲとすると
と表わされるため，使用に適した電気抵抗値になるよう，下面動作電極３の電気伝導度を調節する必要がある。本発明では，電気伝導度の調整が容易な導電性微粒子のポリマーコンポジット材料を下面動作電極３の材料に用いる。導電性微粒子には，炭素微粒子，炭素繊維，カーボンナノチューブなどの炭素材料や，金や白金や銀などの金属材料も使用することができる。マトリクスとしてのポリマーには誘電エラストマーフィルムの変形に準じて変形する必要があるため柔軟性が必要とされる。そのため，アクリル系，シリコン系，ウレタン系，スチレン系のエラストマー材料や，シリコングリスなど高粘性材料などが使用できる。また，炭素微粒子，炭素繊維，カーボンナノチューブなどの炭素系微粒子材料単体でも下面動作電極３の材料に用いることは可能である。
このような導電性微粒子のポリマーコンポジット材料を用いた電極のうち，炭素微粒子とアクリル系エラストマーを用いた電極の作製方法の一例を次に記す。アクリル系エラストマーの骨格分子を有機溶剤に溶解させた溶液に炭素微粒子を加えて攪拌し，炭素微粒子ポリマーコンポジットインクを作製する。作製したインクをスクリーン印刷法で誘電エラストマー材料膜表面に印刷する。この時，スクリーン印刷のほかに，ディスペンサーやインクジェットによるパターン描画法で印刷することもできる。印刷後，有機溶剤を蒸発させるためにベークし，乾燥させることで，炭素微粒子とアクリル系エラストマーを用いた電極を作ることができる。ここでは，導電性微粒子として炭素微粒子を使用したが，炭素繊維，カーボンナノチューブなどの炭素系材料や金や白金や銀などの金属材料を用いても同様の方法で作製することができる。また，アクリル系エラストマーの代わりにシリコン系，ウレタン系，スチレン系のエラストマー材料を用いても同様に作製することができる。エラストマーの代わりにシリコングリスなどの高粘性材料を使用する場合は，印刷後特にベークをする必要はない。炭素微粒子，炭素繊維，カーボンナノチューブなどの炭素微粒子材料単体で電極を作製するときは，一度，炭素微粒子材料を溶剤に分散させた後に印刷で電極パターンを作製するか，誘電エラストマー材料膜表面に電極形状の空きパターンを有したステンシルマスクを介して直接微粒子材料を吹き付けてもよい。
導電性微粒子に炭素系材料を用いると，金属微粒子と比べ電極としての電気抵抗は高くなりやすいが，軽量の電極を作製することができる。マトリクスにエラストマー溶液を用いると，グリスを用いた時と比べてベーク工程が余分に必要となるが，微粒子が均一に分散した電極が作りやすい。
図４に，本発明で使用する導電性微粒子のポリマーコンポジット材料の典型的な電気伝導度の導電微粒子含量依存性を示す。導電微粒子含量を調整することで電気伝導度を調整できることがわかる。
また，このような導電性微粒子のポリマーコンポジット材料は，電気伝導度が温度依存性をもつ。図５に，導電性微粒子のポリマーコンポジット材料の典型的な電気伝導度の温度依存性を示す。温度が上がるにつれ，電気伝導度は上昇する。この性質を使用して，下面動作電極３の抵抗値を測定することで，誘電エラストマーアクチュエータの温度を見積もることができる。
図６Ａ～６Ｃに，本発明の誘電エラストマーアクチュエータのいくつかを下面動作電極３側からみた形状概略図を示す。誘電エラストマーアクチュエータの形状は，図６Ａに示すような円形状だけでなく，使用するときの必要に応じて図６Ｂに示すような四角形のような多角形にしてもよい。この場合，図６Ｃに示すように，下面動作電極３の下面電極配線５と下面電極ヒータ配線８が接続されている辺に低抵抗領域１１を設けると，下面動作電極３をジュール加熱する際に，電束の分布が均一になるため下面動作電極３を均一に加熱することができ望ましい。
本発明の誘電エラストマーアクチュエータを動作させるための動作フローの一例を図７に示す。はじめに，下面動作電極３の抵抗値を測定し（Ｓ１１），温度を見積もる（Ｓ１２）。そして，その温度が予め設定した安定動作に必要な温度よりも低ければ（Ｓ１３），下面動作電極を加熱し誘電エラストマーアクチュエータを加熱する（Ｓ１４）。加熱後，再び下面動作電極の抵抗測定から下面動作電極温度と設定値と比較する。この工程を，下面動作電極温度が設定値より高くなるまで繰り返し，高くなったら上面動作電極に電圧を印加し，アクチュエータ動作をさせる（Ｓ１５）。
下面動作電極加熱後，誘電エラストマーアクチュエータを動作させる際，下面動作電極３を加熱しない，すなわち電源９より電圧を印加しないで，アクチュエータ動作をさせる方法以外に，下面動作電極３を加熱しながらアクチュエータ動作させることも可能である。その場合，アクチュエータ動作のための高圧電源６から供給される電圧値に対して，下面動作電極３を加熱するために電源９から供給される電圧値が十分の１以下程度と十分小さくなるよう，下面動作電極３の電気抵抗を調節するとよい。このようにすることで，加熱中は下面動作電極３内に電位分布が発生するが，アクチュエータ動作させる際の上面動作電極２との間の電位差と比べて充分小さくできる。従って，動作させるために上面動作電極２に電位を印加すると，２つの電極２，３間をほぼ均一に収縮させることができる。
また，上面動作電極２と下面動作電極３がショートしても電源９に影響を与えないように，図８Ａのように高圧電源６と上面動作電極２との間にヒューズ１３を入れる，あるいは図８Ｂのようにサージ防止回路１２をつけることが望ましい。
[実施例２]
実施例２では，本発明のアクチュエータを用いたアクチュエータモジュールの基本的な構造及び使用方法について説明する。
実施例２では，本発明のアクチュエータを用いたアクチュエータモジュールの基本的な構造及び使用方法について説明する。
図９Ａ～９Ｃは，本実施例の誘電エラストマーアクチュエータモジュールの一つの形態を示す模式図である。図９Ａは上面動作電極側から見た概略平面図，図９Ｂは下面動作電極側から見た概略平面図，図９Ｃは上面動作電極側から見た概略斜視図である。
誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０は，誘電エラストマーフィルム１の両面に，伸縮性を有する上面動作電極２及び下面動作電極３が設けられ，上面動作電極２には高圧電源６と接続するための上面電極配線４が，下面動作電極３には電気的に接地するための下面電極配線５が接続されている。また，下面動作電極３の下面電極配線５と下面電極ヒータ配線８が接続されている辺に，低抵抗領域１１が設けられている。また，アクチュエータ電圧印加によって誘電エラストマーフィルム１が伸長する方向の両端には，硬質の固定具２２が接続されている。固定具２２は，アクチュエータの変形を外部負荷の移動に利用するためのものである。さらに，この誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の上面電極配線４には外部配線２１が，下面電極配線５には外部配線２３が，下面電極ヒータ配線８には外部配線２４がそれぞれ接続されている。
図１０Ａ～１０Ｃは，誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の動作の一例を表す模式図である。誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の外部配線２３は電気的に接地され，外部配線２４はスイッチ２５及び電流計１０を介して電源９に，外部配線２１はスイッチ２６を介して高圧電源６に接続されている。
誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０を動作させる前の状態では，スイッチ２５，２６ともに開いている（図１０Ａ）。次に，誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の温度を測定するため，スイッチ２５を閉じ，下面動作電極が発熱しないよう５Ｖ程度の小さな電圧を印加し，下面動作電極の抵抗を測定して温度を見積もる（図１０Ｂ）。誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の温度が安定動作可能な温度より低い場合，電源９より５０Ｖ程度の電圧を印加し，下面動作電極を加熱する。誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の温度が，安定動作可能な温度になった後，スイッチ２６を閉じ，高圧電源６から１ｋＶ程度の電圧を上面動作電極に印加することで，誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０は伸長動作する（図１０Ｃ）。
ガラス転移温度Ｔｇ以上でも弾性率の温度依存性が大きい材料で，正確な温度制御が必要な場合は，電源９から印加する電圧を一定温度になるよう調整する。
誘電エラストマーフィルム材料にガラス転移温度が０℃のアクリル系エラストマーを用いた，膜厚０．０３ｍｍ，長さ１００ｍｍ，幅２０ｍｍの誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の場合，２０℃付近の室温環境では，高圧電源６より１ｋＶ印加したところ５０ｍｍの伸長動作をすることができた。しかし，－１０℃の動作環境で下面動作電極３を加熱せずに高圧電源６より１ｋＶ印加したところ，１ｍｍ以上の伸長動作は生じなかった。そのため，下面動作電極３を２０℃になるように電源９より５０Ｖ電圧を印加して電流を流し加熱したところ，室温と同じ５０ｍｍの伸長動作が安定して得られることができた。
この誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０はフィルム状であるため，伸長時に伸長方向を妨げる方向に負荷があると，フィルムが折れ曲がり，伸長動作して負荷を動かすことは難しい。誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０では，伸長時の動作より伸長後，動作電極の電圧を下げる際に生じる収縮動作による収縮方向に発生する力を利用して負荷を動かすことが望ましいが，図１１Ａ及び図１１Ｂに示すような構造のアクチュエータモジュールを用いれば，収縮時だけでなく，伸長時の変形動作でも外部の負荷を移動させることができる。
図１１Ａ，図１１Ｂに，伸長時の変形動作でも外部の負荷を移動させることができる誘電エラストマーアクチュエータモジュールの概略図を示す。この誘電エラストマーアクチュエータモジュール２８は，二つの固定具２２の間に押しバネ２７が装着されている（図１１Ａ）。このことにより，誘電エラストマーアクチュエータモジュール２８は常に伸長方向に負荷がかかり，伸長時に伸長を妨げる方向に負荷があっても押しバネ２７の力で負荷を動かすことができる（図１１Ｂ）。
上記のアクリル系エラストマー材料を用いた断面形状が０．０３ｍｍ×２０ｍｍ，長さ１００ｍｍの誘電エラストマーアクチュエータの場合，押しバネに，最初に６０ｍｍ圧縮したばね定数０．００１５Ｎ／ｍｍのばねを使用すれば，誘電エラストマーアクチュエータが約２０ｍｍ伸長された状態でつり合い，誘電エラストマーアクチュエータに電圧を加えると，押しバネの力で約３ｇｆの負荷を動かすことができる。
この押しバネが装着されている構造は，誘電エラストマーアクチュエータを多層に積層したアクチュエータモジュールにも使用することができる。
[実施例３]
実施例３では，実施例２とは異なった構造のアクチュエータを用いたアクチュエータモジュールについて説明する。
実施例３では，実施例２とは異なった構造のアクチュエータを用いたアクチュエータモジュールについて説明する。
誘電エラストマーアクチュエータを用いて大きな変位を得るため，積層型ピエゾアクチュエータとの類推で，誘電エラストマーアクチュエータを積層する方法が考えられる。実際に，Sensors and Actuators A 155 (2009) 299-307には積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュールの作製例が報告されている。
このような積層型誘電エラストマーアクチュエータも通常の誘電エラストマーアクチュエータと同じく，ガラス転移温度Ｔｇ以下では動作が著しく小さくなるといった課題があった。本発明を用いれば，低温でも安定に動作する積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュールを提供することができる。
図１２Ａ，図１２Ｂは，本実施例の積層型誘電エラストマーアクチュエータの原理を示した図である。図では分かりやすいように誘電エラストマーアクチュエータを５層重ねた例を記しているが，必要に応じて積層枚数は調整することができる。図１２Ａは構造を表す概略斜視図，図１２Ｂは配線を表す概略図である。
本実施例の積層型誘電エラストマーアクチュエータ３０は，実施例１の図２に示した誘電エラストマーアクチュエータ７を誘電エラストマーフィルムの膜厚方向に積層した構造を有し，一番下の層の誘電エラストマーアクチュエータには，下面に実施例１の図２の下面動作電極３に相当するヒータを兼ねる伸縮性を有するヒータ動作電極３１Ａが，上面に実施例１の図２の上面動作電極２に相当する伸縮性を有する動作電極３２Ａが設置されている。下から２番目の層の誘電エラストマーアクチュエータは，下面に一番下の層の誘電エラストマーアクチュエータと共通の動作電極３２Ａが，上面にヒータ動作電極３１Ｂが設置されている。下から３番目の層の誘電エラストマーアクチュエータは，下面に下から２番目の層の誘電エラストマーアクチュエータと共通のヒータ動作電極３１Ｂが，上面に動作電極３２Ｂが設置されている。下から４番目の層の誘電エラストマーアクチュエータは，下面に下から３番目の層の誘電エラストマーアクチュエータと共通の動作電極３２Ｂが，上面にヒータ動作電極３１Ｃが設置されている。一番上の層の誘電エラストマーアクチュエータは，下面に下から４番目の層の誘電エラストマーアクチュエータと共通のヒータ動作電極３１Ｃが，上面に動作電極３２Ｃが設置されている。このように，上下に隣接する誘電エラストマーアクチュエータ間で，アクチュエータ動作電極とヒータ動作電極を交互に共用する構造になっている。
一番下の層のヒータ動作電極３１Ａは，グランド配線３６Ａを介してグランドと接続されている。ヒータ動作電極３１Ａは，その他にヒータ配線３５Ａを介しヒータ電源３４に接続されている。動作電極３２Ａは，高圧電源配線３７Ａを介しアクチュエータ動作用高圧電源３３に接続されている。他の層のヒータ動作電極も一番下の層と同様に，グランド配線を介しグランドと，ヒータ配線を介しヒータ電源３４に，動作電極も高圧電源配線を介しアクチュエータ動作用高圧電源３３に接続されている。
動作手順は，実施例１の図７で述べた方法と同様である。初めに，ヒータ動作電極の電気抵抗の値より温度を見積もる。そして，その温度が予め設定した安定動作に必要な温度よりも低ければ，ヒータ電源３４より電圧を印加して電流を流すことでヒータ動作電極を加熱し，それによって誘電エラストマーアクチュエータ３０を加熱する。加熱後，再びヒータ動作電極の抵抗測定からヒータ動作電極温度と設定値とを比較する。この工程を，ヒータ動作電極温度が設定値より高くなるまで繰り返し，設定値より高くなったら動作電極に高圧電源３３より電圧を印加し，アクチュエータ動作をさせる。すると，各層が変形し，全体として積層方向に大きな収縮動作が得られる。
図１３Ａ及び図１３Ｂは，積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュールの構造と変形動作前後の外観を示す概略斜視図である。図１３Ａは変形動作前の状態を示し，図１３Ｂは変形後の状態を示している。
積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュールは，図１２で説明した積層型誘電エラストマーアクチュエータ３０を，アクチュエータ積層方向の上端と下端に固定された非伸縮性の固定具３８，３９により挟んだ構造を持つ。積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュール５０の表面には，各層からのグランド配線を接続する外部グランド配線４０，ヒータ配線を接続する外部ヒータ配線４１，高圧電源配線を結ぶ外部高圧電源配線４２が設けられ，それぞれ，絶縁性の固定具３８の内部を通り，それぞれ外部配線４３，４５，４４に接続されている。外部配線４３はグランド，外部配線４５はヒータ電源，外部配線４４は高圧電源に接続されている。
誘電エラストマーフィルム材料にガラス転移温度が０℃のアクリル系エラストマーを用いた，膜厚０．０３ｍｍ，直径１５ｍｍの誘電エラストマーアクチュエータを３０００層積層し，全長を９０ｍｍとした誘電エラストマーアクチュエータモジュール５０の場合，室温環境では高圧電源３３より１ｋＶ印加したところ，積層方向に４０ｍｍの伸長動作をすることができた。しかし，－１０℃の動作環境でヒータ動作電極を加熱せずに高圧電源３３より１ｋＶ印加したところ，１ｍｍ以上の伸長動作は生じなかった。ヒータ動作電極を２０℃になるように電源３４より電流を流したところ，室温と同じ４０ｍｍの伸長動作を安定して得ることができた。
[実施例４]
本発明のアクチュエータは軽量でフレキシブルなため，ロボットや装着型パワードスーツへの応用が期待される。本実施例では，ロボットの関節の屈伸に相当する，ヒンジで接続された２つのアームを本発明のアクチュエータを用いたワイヤー駆動で屈曲運動させるためのシステムについて記述する。
本発明のアクチュエータは軽量でフレキシブルなため，ロボットや装着型パワードスーツへの応用が期待される。本実施例では，ロボットの関節の屈伸に相当する，ヒンジで接続された２つのアームを本発明のアクチュエータを用いたワイヤー駆動で屈曲運動させるためのシステムについて記述する。
図１４は，本実施例のアーム屈曲システムの概略図である。アーム屈曲システム６０はアーム部６１，アクチュエータ部６２，アクチュエータ制御部６３から構成される。
アーム部６１は，大きく分けると，ヒンジ６４とそれにつながる上部アーム６５，下部アーム６６及び，アクチュエータの伸縮運動をアームの屈曲運動に伝達変換するワイヤー６７から成る。下部アーム６６にはワイヤー固定部６８が，上部アーム６５にはワイヤーガイド６９が搭載されている。ワイヤー６７の一方の端はワイヤー固定部６８に固定され，他方の端はワイヤーガイドプーリー６９を通り，アクチュエータ部６２の固定具７２に接続されている。下部アーム６６のヒンジとは逆の端には負荷７９が取り付けられている。また，下部アーム６６はヒンジ６４を中心とした回転運動（屈曲運動）ができるが，上部アーム６５は動かないように固定されている。
アクチュエータ部６２は実施例３の積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュール５０と同様の，積層した誘電エラストマーアクチュエータ７０の上下を固定具７１，７２で挟んだ構造であり，各層からそれぞれ，グランド配線を接続する外部グランド配線７３，ヒータ配線を接続する外部ヒータ配線７４，高圧電源配線を結ぶ外部高圧電源配線７５がでている。外部グランド配線７３はグランドに設置されている。固定具７１は上部アーム６５に固定されている。
アクチュエータ制御部６３は高圧電源８０，ヒータ抵抗測定用電流計８１，ヒータ電源８２，コントローラ８３を備える。高圧電源配線７５は高圧電源８０に，外部ヒータ配線７４はヒータ抵抗測定用電流計８１を介しヒータ電源８２に接続されている。高圧電源８０，ヒータ抵抗測定用電流計８１，ヒータ電源８２はそれぞれコントローラ８３に接続され，制御及び計測されている。コントローラ８３に接続されたメモリ８４には，アクチュエータの安定動作に必要な最低温度（設定値），アクチュエータに用いられているエラストマー材料の弾性率の温度依存性を示す情報，及びヒータとしての機能を有する動作電極の抵抗値と温度の関係を示す情報が演算式やテーブルなどの形で格納されている。エラストマー材料の弾性率の温度依存性を示す情報の代わりに，温度をパラメータとした所望のアクチュエータ動作に必要な印加電圧の情報を格納してもよい。
上部アーム６５及び下部アーム６６は断面が半径５ｃｍの円形で，上部アーム６５の一方の端にあるヒンジ６４から他方の端までの長さは４０ｃｍ，下部アーム６６の一方の端にあるヒンジ６４から他方の端にある負荷７９までの長さは３０ｃｍである。負荷７９を１０ｋｇとすると，図１５に示すように上部アーム６５と下部アーム６６のなす角が１８０度から上部アーム６５と下部アーム６６のなす角が９０度になるように屈曲させるには，ワイヤー６７を７．９ｃｍ上に引っ張る必要がある。その際，最大約５９０Ｎの力が必要となる。
本実施例では誘電エラストマーアクチュエータ７０に，アクリル系エラストマーを使用した膜厚０．０３ｍｍ，断面形状が１０ｍｍ×３０ｍｍの誘電エラストマーアクチュエータを１００００層積層して作製したものを使用した。
次に，本実施例のアーム屈曲システムの動作手順について記述する。動作手順は実施例１の図７で述べた方法と同様である。初めに，ヒータ電源８２からヒータ電極に５Ｖ印加し，その際の電流値をヒータ抵抗測定用電流計８１で測定してコントローラ８３に送る。コントローラ８３では，測定された電流値を抵抗値へ変換し，メモリ８４に格納されたヒータ電極の抵抗値と温度の関係を示す情報を参照して，ヒータ電極の温度を見積もる。そして，その温度が予め設定した安定動作に必要な温度である２０℃よりも低ければ，ヒータ電源８３より電圧を５０Ｖ印加して電流を流すことでヒータ動作電極を加熱し，誘電エラストマーアクチュエータ７０を加熱する。加熱後，再びヒータ動作電極の抵抗測定からヒータ動作電極温度と設定値と比較する。この工程を，ヒータ動作電極温度が設定値より高くなるまで繰り返し，高くなったら動作電極に高圧電源８０より電圧を印加する。高圧電源８０より１ｋＶ印加したところ，下部アーム６６が負荷７９を持ち上げながら９０度回転した。なお，所望のアクチュエータ動作に必要な印加電圧はそのときのアクチュエータ温度に依存して変わるため，精密な制御が必要とされる場合には，見積もられた電極温度を元にメモリ８４に格納されているエラストマー材料の弾性率の温度依存性を示す情報，あるいは温度をパラメータとした所望のアクチュエータ動作に必要な印加電圧の情報を参照して，印加電圧を調整してもよい。
なお，本発明は上記した実施例に限定されるものではなく，様々な変形例が含まれる。例えば，上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり，必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また，ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり，また，ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また，各実施例の構成の一部について，他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１ 誘電エラストマーフィルム
２ 上面動作電極
３ 下面動作電極
４ 上面電極配線
５ 下面電極配線
６ 高圧電源
７ 誘電エラストマーアクチュエータ
８ 下面電極ヒータ配線
９ 電源
１０ 電流計
１１ 低抵抗領域
１２ サージ防止回路
１３ ヒューズ
２０ 誘電エラストマーアクチュエータモジュール
２１ 外部配線
２２ 固定具
２３，２４ 外部配線
２５，２６ スイッチ
２７ 押しバネ
２８，３０ 誘電エラストマーアクチュエータモジュール
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ ヒータ動作電極
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ 動作電極
３３ 高圧電源
３４ ヒータ電源
３５Ａ ヒータ配線
３６Ａ グランド配線
３７Ａ 高圧電源配線
３８，３９ 固定具
４０ 外部グランド配線
４１ 外部ヒータ配線
４２ 外部高圧電源配線
４３，４４，４５ 外部配線
６１ アーム部
６２ アクチュエータ部
６３ アクチュエータ制御部
６４ ヒンジ
６５ 上部アーム
６６ 下部アーム
６７ ワイヤー
６８ ワイヤー固定部
６９ ワイヤーガイド
７０ 誘電エラストマーアクチュエータ
７１，７２ 固定具
８０ 高圧電源
８１ ヒータ抵抗測定用電流計
８２ ヒータ電源
８３ コントローラ
８４ メモリ
１００ 誘電エラストマーアクチュエータ
２ 上面動作電極
３ 下面動作電極
４ 上面電極配線
５ 下面電極配線
６ 高圧電源
７ 誘電エラストマーアクチュエータ
８ 下面電極ヒータ配線
９ 電源
１０ 電流計
１１ 低抵抗領域
１２ サージ防止回路
１３ ヒューズ
２０ 誘電エラストマーアクチュエータモジュール
２１ 外部配線
２２ 固定具
２３，２４ 外部配線
２５，２６ スイッチ
２７ 押しバネ
２８，３０ 誘電エラストマーアクチュエータモジュール
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ ヒータ動作電極
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ 動作電極
３３ 高圧電源
３４ ヒータ電源
３５Ａ ヒータ配線
３６Ａ グランド配線
３７Ａ 高圧電源配線
３８，３９ 固定具
４０ 外部グランド配線
４１ 外部ヒータ配線
４２ 外部高圧電源配線
４３，４４，４５ 外部配線
６１ アーム部
６２ アクチュエータ部
６３ アクチュエータ制御部
６４ ヒンジ
６５ 上部アーム
６６ 下部アーム
６７ ワイヤー
６８ ワイヤー固定部
６９ ワイヤーガイド
７０ 誘電エラストマーアクチュエータ
７１，７２ 固定具
８０ 高圧電源
８１ ヒータ抵抗測定用電流計
８２ ヒータ電源
８３ コントローラ
８４ メモリ
１００ 誘電エラストマーアクチュエータ
Claims (12)
- 誘電エラストマー材料からなるフィルムと，
前記フィルムの第１の面に形成された伸縮性を有する第１の電極と，
前記フィルムの第２の面に形成された伸縮性を有する第２の電極とを有し，
前記第１の電極と前記第２の電極間への電圧印加により前記フィルムが圧縮されるように変形するアクチュエータにおいて，
前記第１の電極に，ジュール加熱のための電流を流す配線が接続されていることを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項１記載のアクチュエータにおいて，前記配線は，前記第１の電極を接地するための配線と対向する位置に設けられていることを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項１記載のアクチュエータにおいて，前記電極は導電性微粒子とエラストマーのコンポジット材料からなることを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項１記載のアクチュエータにおいて，第１の面に前記第１の電極が形成され第２の面に前記第２の電極が形成されたフィルムが膜厚方向に複数積層され，隣接するフィルム間で前記第１の電極と前記第２の電極を交互に共用していることを特徴とするアクチュエータ。
- 誘電エラストマー材料からなるフィルムと，
前記フィルムの第１の面に形成された伸縮性を有する第１の電極と，
前記フィルムの第２の面に形成された伸縮性を有する第２の電極とを有し，
前記第１の電極に，ジュール加熱のための電流を流す配線を流す配線が接続されており，前記第１の電極と前記第２の電極間への電圧印加により前記フィルムが圧縮されるように変形するアクチュエータと，
前記アクチュエータの変形を外部負荷の移動に利用するために前記アクチュエータに固定された一対の固定具と，
を有することを特徴とするアクチュエータモジュール。 - 請求項５記載のアクチュエータモジュールにおいて，第１の面に前記第１の電極が形成され第２の面に前記第２の電極が形成されたフィルムが膜厚方向に複数積層され，隣接するフィルム間で前記第１の電極と前記第２の電極を交互に共用していることを特徴とするアクチュエータモジュール。
- 請求項５記載のアクチュエータモジュールにおいて，前記一対の固定具は前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧を印加したとき前記フィルムが伸長する方向の両端にそれぞれ固定され，前記伸長方向の負荷を前記一対の固定具間に常時作用させるための押しバネが設けられていることを特徴とするアクチュエータモジュール。
- 請求項５記載のアクチュエータモジュールにおいて，第１の面に前記第１の電極が形成され第２の面に前記第２の電極が形成されたフィルムが膜厚方向に複数積層され，隣接するフィルム間で前記第１の電極と前記第２の電極を交互に共用しており，前記一対の固定具は，前記フィルムの積層方向の下端と上端に固定されていることを特徴とするアクチュエータモジュール。
- 誘電エラストマー材料からなるフィルムと，
前記フィルムの第１の面に形成された伸縮性を有する第１の電極と，
前記フィルムの第２の面に形成された伸縮性を有する第２の電極とを有し，
前記第１の電極に，ジュール加熱のための電流を流す配線を流す配線が接続されており，前記第１の電極と前記第２の電極間への電圧印加により前記フィルムが圧縮されるように変形するアクチュエータと，
前記アクチュエータに固定され，前記アクチュエータの変形を外部負荷の移動に利用するための一対の固定具と，
前記第１の電極の前記配線に接続され前記ジュール加熱のための電流を供給する第１の電源と，
前記第２の電極にアクチュエータ動作のための電圧を印加する第２の電源と，
前記第１の電源及び前記第２の電源を制御するコントローラと，
を有することを特徴とするアクチュエータシステム。 - 請求項９記載のアクチュエータシステムにおいて，前記コントローラは，前記第１の電源から前記第１の電極に第１の電圧を印加したときの電流値から前記第１の電極の温度を見積もり，前記見積もった温度が予め決めた所定の温度以下であれば，前記第１の電源から前記第１の電極に前記第１の電圧より高い第２の電圧を印加して前記第１の電極をジュール加熱によって前記所定の温度以上とし，その後，前記第２の電源から前記第２の電極に電圧印加してアクチュエータ動作させることを特徴とするアクチュエータシステム。
- 請求項９記載のアクチュエータシステムにおいて，第１の面に前記第１の電極が形成され第２の面に前記第２の電極が形成されたフィルムが膜厚方向に複数積層され，隣接するフィルム間で前記第１の電極と前記第２の電極を交互に共用しており，前記一対の固定具は，前記フィルムの積層方向の下端と上端に固定されていることを特徴とするアクチュエータシステム。
- 請求項１０記載のアクチュエータシステムにおいて，前記コントローラは，前記見積もった温度に応じて前記アクチュエータ動作させるために前記第２の電源から前記第２の電極に印加する電圧を調整することを特徴とするアクチュエータシステム。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 12789795 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 12789795 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |