WO2018030250A1 - アクチュエータ、アクチュエータモジュール、内視鏡、内視鏡モジュールおよび制御方法 - Google Patents

アクチュエータ、アクチュエータモジュール、内視鏡、内視鏡モジュールおよび制御方法 Download PDF

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Abstract

アクチュエータは、筒状のアクチュエータ素子と、アクチュエータ素子の内周面を支持する支持体とを備える。アクチュエータ素子の内圧が、アクチュエータ素子の外圧よりも高い。

Description

アクチュエータ、アクチュエータモジュール、内視鏡、内視鏡モジュールおよび制御方法
 本技術は、アクチュエータ、アクチュエータモジュール、内視鏡、内視鏡モジュールおよび制御方法に関する。
 張力を与えた誘電エラストマソフトアクチュエータをばねに巻き付け、電圧印加で伸縮や屈曲変形をするアクチュエータが提案されている(例えば特許文献1参照)。このアクチュエータは、小型軽量で大きな変位を生み出すことができるといった特徴を有している。
特表2006-520180号公報
 しかしながら、上記のアクチュエータは、絶縁破壊を引き起こす虞がある。
 本技術の目的は、絶縁耐性の向上できるアクチュエータ、アクチュエータモジュール、内視鏡、内視鏡モジュールおよび制御方法を提供することにある。
 上述の課題を解決するために、第1の技術は、筒状のアクチュエータ素子と、アクチュエータ素子の内周面を支持する支持体とを備え、アクチュエータ素子の内圧が、アクチュエータ素子の外圧よりも高いアクチュエータである。
 第2の技術は、第1の技術のアクチュエータを備える内視鏡である。
 第3の技術は、筒状のアクチュエータ素子、およびアクチュエータ素子の内周面を支持する支持体を有するアクチュエータと、アクチュエータの駆動を制御する制御部と、アクチュエータの内部空間を加圧する加圧部とを備えるアクチュエータモジュールである。
 第4の技術は、第3の技術のアクチュエータモジュールを備える内視鏡モジュールである。
 第5の技術は、アクチュエータ素子と、アクチュエータ素子を支持する支持体とを備え、アクチュエータ素子の内圧が、アクチュエータ素子の外圧よりも高いアクチュエータである。
 第6の技術は、アクチュエータの内部空間の圧力を検出し、検出結果に基づき、アクチュエータの内部空間を加圧することを含む制御方法である。
 本技術によれば、アクチュエータの絶縁耐性の向上できる。
図1Aは、本技術の第1の実施形態に係るアクチュエータの構成を示す断面図である。図1Bは、図1Aの一部を表す拡大図である。 図2Aは、アクチュエータ素子の構成を示す側面図である。図2Bは、図2AのIIB-IIB線に沿った断面図である。 図3は、支持体の変形例を示す断面図である。 図4Aは、支持体の変形例を示す断面図である。図4Bは、図4Aの一部を表す拡大図である。 図5Aは、支持体の変形例を示す断面図である。図5Bは、図5Aの一部を表す拡大図である。 図6Aは、支持体の変形例を示す断面図である。図6Bは、図6Aの一部を表す拡大図である。 図7Aは、支持体の変形例を示す断面図である。図7Bは、図7Aの一部を表す拡大図である。 図8は、支持体の変形例を示す断面図である。 図9は、支持体の変形例を示す断面図である。 図10A、図10Bはそれぞれ、アクチュエータの製造方法の変形例を説明するための工程図である。 図11は、本技術の第2の実施形態に係る内視鏡モジュールの構成を示す断面図である。 図12は、先端部の構成を示す平面図である。 図13は、電源投入時の内圧制御方法を説明するためのフローチャートである。 図14は、操作時の内圧制御方法を説明するためのフローチャートである。 図15は、本技術の第2の実施形態の変形例に係る内視鏡モジュールの構成を示す断面図である。 図16は、本技術の第3の実施形態に係る内視鏡モジュールの構成を示す断面図である。 図17は、本技術の第4の実施形態に係るアクチュエータの構成を示す斜視図である。 図18は、本技術の第5の実施形態の変形例に係るアクチュエータの構成を示す斜視図である。
 本技術の実施形態について以下の順序で説明する。
 1 第1の実施形態(アクチュエータの例)
 2 第2の実施形態(内視鏡モジュールの例)
 3 第3の実施形態(内視鏡モジュールの例)
 4 第4の実施形態(アクチュエータの例)
 5 第5の実施形態(アクチュエータの例)
<1 第1の実施形態>
[概要]
 本発明者らは、絶縁破壊を引き起こす要因を解明すべく、筒状のアクチュエータ素子と、このアクチュエータ素子の内周面を支持するコイルスプリング(支持体)とを備えるアクチュエータについて、FEM(Finite Element Methode)解析を行った。その結果、以下のことを見出すに至った。すなわち、上記構成のアクチュエータでは、コイルスプリングの側面を覆うアクチュエータ素子が、コイルスプリングの隙間に食い込み、アクチュエータ素子の側面にくびれが発生する虞がある。このようなくびれが発生すると、アクチュエータ素子の厚さが不均一になり、厚さが薄いところで絶縁破壊が発生しやすくなる。
 そこで、本発明者らは、アクチュエータ素子の側面に発生するくびれを抑制すべく鋭意検討を行った。その結果、アクチュエータの内圧をアクチュエータの外圧よりも高くする構成を見出すに至った。以下では、このような構成を有するアクチュエータについて説明する。
[アクチュエータの構成]
 本技術の第1の実施形態に係るアクチュエータ10は、いわゆる電歪型アクチュエータであり、図1Aに示すように、円筒状のアクチュエータ素子11と、アクチュエータ素子11の内周面を支持する円筒状のコイルスプリング12と、アクチュエータ素子11の両端の開口部を閉鎖する封止部材13、14とを備える。アクチュエータ10が、アクチュエータ素子11の外周面を覆う、図示しない円筒状の保護層をさらに備えるようにしてもよい。
 アクチュエータ10は、内視鏡などの医療用器具、工業用器具、電子機器、スピーカ、人工筋肉、ロボット、ロボットスーツなどに用いて好適なものである。アクチュエータ10は、継続的に使用可能なものであってもよいし、使い捨てのものであってもよい。アクチュエータ10を内視鏡などの医療用器具に適用する場合、衛生上の観点から、アクチュエータ10は使い捨てのものであることが好ましい。
 アクチュエータ10は、密閉された円柱状の内部空間を有し、この内部空間にコイルスプリング12が設けられている。内部空間は、流体としての気体により満たされている。気体は、例えば、空気、希ガスおよび二酸化炭素などのうちの少なくとも1種である。アクチュエータ10の内圧は、アクチュエータ10の外圧に比べて高くなっている。このため、図1B中に二点鎖線で示すようなくびれがアクチュエータ素子11の周面に発生することを抑制できるので、アクチュエータ10の絶縁耐性の向上できる。本明細書では、アクチュエータ10の内部空間の圧力をアクチュエータ10の内圧といい、アクチュエータ素子11の外部空間の圧力をアクチュエータ10の外圧という。
 以下、アクチュエータ10が備えるアクチュエータ素子11、コイルスプリング12、封止部材13、14および保護層について順次説明する。
(アクチュエータ素子)
 アクチュエータ素子11は、シート状を有している。アクチュエータ素子11は、予め円筒状に形成されたものであってもよいし、コイルスプリング12に巻き付けられて円筒状となったものであってもよい。
 アクチュエータ素子11は、いわゆる誘電エラストマアクチュエータ素子であり、図2A、図2Bに示すように、円筒状の誘電体層11aと、誘電体層11aの内周面に設けられた複数の電極(第1の電極)11bと、誘電体層11aの外周面に設けられた複数の電極(第2の電極)11cとを備える。電極11bは誘電体層11aの内周面に直接形成されていてもよいし、接着層を介して貼り合わされていてもよい。また、電極11cは誘電体層11aの外周面に直接形成されていてもよいし、接着層を介して貼り合わされていてもよい。ここでは、粘着層は接着層の一種と定義される。
(誘電体層)
 誘電体層11aは、伸縮性を有するシートである。誘電体層11aは、例えば、絶縁性伸縮材料として絶縁性エラストマを含んでいる。誘電体層11aは、必要に応じて添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、架橋剤、可塑剤、老化防止剤、界面活性剤、粘度調整剤、補強剤および着色剤などのうちの1種以上を用いることができる。絶縁性エラストマとしては、例えば、アクリルゴム、シリコーンゴム、エチレン-プロピレン-ジエン三元共重合体(EPDM)、天然ゴム(NR)、ブチルゴム(IIR)、イソプレンゴム(IR)、アクリロニトリル-ブタジエン共重合ゴム(NBR)、水素化アクリルニトリル-ブタジエン共重合ゴム(H-NBR)、ヒドリン系ゴム、クロロプレンゴム(CR)、フッ素ゴムおよびウレタンゴムなどのうちの1種以上を含むエラストマを用いることができる。誘電体層11aには、プレストレインがかけられていてもよい。
(電極)
 電極11b、11cは、誘電体層11aを介して対向する共に、アクチュエータ素子11の高さ方向に延設されている。複数の電極11b、11cは、誘電体層11aの周方向に等間隔で配置されている。図2A、図2Bでは、4つの電極11b、11cが、誘電体層11aの周方向に等間隔で配置された例が示されている。電極11b、11cには図示しない配線が接続されており、誘電体層11aを介して対向する電極11b、11c間には電圧が印加されるようになっている。
 電極11b、11cは、伸縮性を有する薄膜である。電極11b、11cが伸縮性を有することで、電極11b、11cが誘電体層11aの変形に追従して変形することが可能になる。電極11b、11cは、ドライプロセスおよびウエットプロセスのいずれで作製された薄膜のいずれあってもよい。電極11b、11cは、導電性材料と、必要に応じてバインダ(結着剤)とを含んでいる。電極11b、11cは、必要に応じて添加剤をさらに含んでいてもよい。
 導電性材料は、導電性粒子であってもよい。導電性粒子の形状としては、例えば、球状、楕円体状、針状、板状、鱗片状、チューブ状、ワイヤー状、棒状(ロッド状)、不定形状などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。なお、上記形状の粒子を2種以上組み合わせて用いてもよい。
 導電性材料としては、金属、金属酸化物、炭素材料および導電性ポリマーのうちの1種以上を用いることができる。ここで、金属には、半金属が含まれるものと定義する。金属としては、例えば、銅、銀、金、白金、パラジウム、ニッケル、錫、コバルト、ロジウム、イリジウム、鉄、ルテニウム、オスミウム、マンガン、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、チタン、ビスマス、アンチモン、鉛などの金属、またはこれらの合金などが挙げられるが、これに限定されるものではない。金属酸化物としては、例えば、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化亜鉛、酸化インジウム、アンチモン添加酸化錫、フッ素添加酸化錫、アルミニウム添加酸化亜鉛、ガリウム添加酸化亜鉛、シリコン添加酸化亜鉛、酸化亜鉛-酸化錫系、酸化インジウム-酸化錫系、酸化亜鉛-酸化インジウム-酸化マグネシウム系などが挙げられるが、これに限定されるものではない。
 炭素材料としては、例えば、カーボンブラック、ポーラスカーボン、炭素繊維、フラーレン、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンマイクロコイル、ナノホーンなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。導電性ポリマーとしては、例えば、直鎖共役系、芳香族共役系、混合型共役系、複素環共役系、含ヘテロ原子共役系、複鎖型共役系、二次元共役系などの導電性ポリマーが挙げられるが、これに限定されるものではない。
 バインダとしては、エラストマ、ゲルおよびオイルのうちの少なくとも1種を用いることが好ましい。電極11b、11cに伸縮性を付与することができるからである。エラストマとしては、例えば、シリコーン系、アクリル系、ウレタン系およびスチレン系エラストマなどのうちの1種以上用いることができる。添加剤としては、例えば、架橋剤、可塑剤、老化防止剤、界面活性剤、粘度調整剤、補強剤および着色剤などのうちの1種以上を用いることができる。
 電極11b、11cは、導電性ポリマーとブロックコポリマーとのコンポジット材料を含んでいてもよい。コンポジット材料の具体例としては、ポリアニリンとSEBS(スチレン-エチレン・ブチレン-スチレン共重合体とのコンポジット材料が挙げられる。また、電極11b、11cは、ポリマーゲル材料と電解質とを含んでいてもよい。これらの材料の組み合わせの具体例としては、ポリアクリルアミドゲルとLiF水溶液との組み合わせが挙げられる。
(コイルスプリング)
 コイルスプリング12は、任意の方向に湾曲可能であり、かつ弾性変形可能な支持体の一例である。コイルスプリング12は、金属線などの線状部材が円筒状の螺旋に巻かれたコイル状のバネであり、線状部材間には隙間が形成されている。このため、コイルスプリング12は、アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持している。このようにアクチュエータ素子11の内周面が支持されることで、アクチュエータ素子11が変形しやすくなり、アクチュエータ10が伸縮動作や屈曲動作しやすくなる。ここで、“アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持している”とは、アクチュエータ素子11の高さ方向にとびとびの位置で、アクチュエータ素子11の内周面を支持していることを意味する。ここで、とびとびの位置の間隔は一定であってもよいし、変化してもよい。
(封止部材)
 封止部材13、14は、円盤状を有している。封止部材13、14は、金属または高分子材料を含んでいる。封止部材13、14が、エラストマなどを含み、弾性変形可能であってもよい。封止部材13、14は、アクチュエータ10の端部に設けられるデバイス(例えばカメラなどの電子機器)、またはアクチュエータ10の操作部であってもよい。
(保護層)
 保護層は、電極11cを保護するためのものであり、伸縮性を有するシートである。保護層は、絶縁性を有する高分子樹脂を含んでいる。高分子樹脂としては、例えば塩化ビニルを用いることができる。第1の実施形態に係るアクチュエータ10では、アクチュエータ素子11にくびれが発生することが抑制されているので、アクチュエータ素子11の外周面と保護層との間に空気が入りこむことを抑制できる。
[アクチュエータの動作]
 以下に、本技術の第1の実施形態に係るアクチュエータ10の動作の一例について説明する。
 誘電体層11aを介して対向する電極11b、11c間に駆動電圧が印加されると、両電極11b、11cにクーロン力による引力が作用する。このため、両電極11b、11c間に配置された誘電体層11aは、その厚さ方向に押圧されて薄くなると共に、伸張する。
 一方、誘電体層11aを介して対向する電極11b、11c間に印加された駆動電圧が解除されると、両電極11b、11cにクーロン力による引力が作用しなくなる。このため、誘電体層11aの復元力により誘電体層11aは元の厚さに戻ると共に、収縮して元の大きさに戻る。
 誘電体層11aを介して対向する複数の組の電極11b、11cのうち、1つの組の電極11b、11cに駆動電圧が印加された場合には、その電極11b、11c間に配置された誘電体層11aの伸張によって、アクチュエータ10が屈曲する。1つの組の電極11b、11cに印加された駆動電圧が解除されると、アクチュエータ10は元の円柱形状に戻る。
[アクチュエータの製造方法]
 次に、アクチュエータ10の製造方法について説明する。まず、コイルスプリング12の周面に、矩形状のアクチュエータ素子11を巻き付け筒状にするか、または予め筒状に形成されたアクチュエータ素子11の内側にコイルスプリング12を挿入する。上記巻き付け後または挿入後のアクチュエータ素子11の周面にはくびれが発生している。
 次に、封止部材13をアクチュエータ素子11の一方の開口部に嵌め合わせるなどして、アクチュエータ素子11の一方の開口部を閉鎖する。次に、封止部材14をアクチュエータ素子11の他方の開口部に嵌め合わせるなどして、アクチュエータ素子11の他方の開口部を閉鎖する。これにより、密閉された内部空間を有するアクチュエータ10が得られる。次に、注射器などの気体注入手段を封止部材13、14のいずれかに突き刺し、アクチュエータ10の内部空間に気体を注入し、アクチュエータ10の内圧を外圧よりも高くした後、気体注入手段を引き抜く。これにより、アクチュエータ素子11の周面のくびれが抑制された、図1Aに示すアクチュエータ10が得られる。
[効果]
 第1の実施形態に係るアクチュエータ10では、アクチュエータ10の内圧がアクチュエータ10の外圧よりも高くなっているので、アクチュエータ素子11にくびれが発生することを抑制できる(図1B参照)。これにより、アクチュエータ素子11の厚さが不均一になることを抑制できる。したがって、アクチュエータ10の絶縁耐性を向上できる。
 また、アクチュエータ素子11のくびれ抑制により、以下の効果も得られる。
 アクチュエータ10の電界強度あたりの変形量(屈曲量)を向上できる。
 アクチュエータ10の側面がより平滑になるため、使用時にアクチュエータ10の側面が周囲に引っかかり難くなる。したがって、アクチュエータ10を内視鏡に適用した場合には、内視鏡を人体などに挿入しやすくなるなど、内視鏡の操作性が向上する。
 アクチュエータ素子11の側面にスプレーコートなどによる表面処理を施す場合には、表面処理をより均一に行うことができる。
 重量を有した部品を追加することなく、アクチュエータ素子11のくびれ抑制できるため、アクチュエータ10の屈曲性を低下させずに上記効果を得ることができる。
[変形例]
(支持体の変形例)
 第1の実施形態では、支持体としてコイルスプリング12を用いた構成について説明したが、支持体はコイルスプリング12に限定されるものではなく、アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持可能であるものであれば用いることができる。以下、コイルスプリング12以外の支持体の例について説明する。
 図3に示すように、アクチュエータ10が、コイルスプリング12に代えて、複数の支持部21aと、複数のジョイント機構部21bとを有する連結体21を備えるようにしてもよい。複数の支持部21aは、アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持する。ジョイント機構部21bは、例えば球状の形状を有し、隣接する支持部21aを任意の方向に回転可能に連結している。なお、ジョイント機構部21bが、支持部21aの一部であってもよい。
 図4A、図4Bに示すように、アクチュエータ10が、コイルスプリング12に代えて、円盤状を有する複数の支持部22aと、複数のボールジョイント機構部22bとを有する連結体22を備えるようにしてもよい。複数のボールジョイント機構部22bは、隣接する支持部22aを任意の方向に回転可能に連結している。複数の支持部22aは、所定の間隔離して設けられ、アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持する。支持部22aの一方の面の中心に軸部22cが垂直に立てられ、その先端に球状部(いわゆるボールスタッド)22dが設けられている。一方、支持部22aの他方の面の中心に軸部22eが垂直に立てられ、その先端には球状部22dと球面接触するソケット22fが設けられている。ソケット22fは、球状部22dと球面接触し、任意の方向に回転可能に球状部22dを支持している。球状部22dとソケット22fとによりボールジョイント機構部22bが構成される。アクチュエータ素子11の両端の開口部は、支持部22aにより閉鎖されている。
 図5A、図5Bに示すように、アクチュエータ10が、コイルスプリング12に代えて、円盤状を有する複数の支持部23aと、人体の関節構造を模した複数のジョイント機構部23bとを有する連結体23を備えるようにしてもよい。複数のジョイント機構部23bは、隣接する支持部23aを任意の方向に回転可能に連結している。複数の支持部23aは、所定の間隔離して設けられ、アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持する。支持部23aの一方の面の中心に軸部23cが垂直に立てられ、その先端に球状部(いわゆるボールスタッド)23dが設けられている。一方、支持部23aの他方の面の中心にも軸部23eが垂直に立てられ、その先端に球状部(いわゆるボールスタッド)23fが設けられている。球状部23d、23fは、任意の方向に回転可能に突き合わされている。このように球状部23d、23fを突き合わせた構成を採用することで、回転時の摩擦を低減できる。また、突き合わされた球状部23d、23fは膜23gにより覆われている。このように膜23gで球状部23d、23fを覆うことで、突き合わされた球状部23d、23f同士がずれることを抑制できる。膜23g内が液体またはゲルなどにより満たされていてもよい。球状部23d、23fおよび膜23gによりジョイント機構部23bが構成される。アクチュエータ素子11の両端の開口部は、支持部23aにより閉鎖されている。
 図6A、図6Bに示すように、アクチュエータ10が、コイルスプリング12に代えて、円盤状を有する複数の支持部24aと、昆虫の関節構造を模したジョイント機構部24bとを有する連結体24を備えるようにしてもよい。ジョイント機構部24bは、隣接する支持部24aを任意の方向に回転可能に連結している。複数の支持部24aは、所定の間隔離して設けられ、アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持する。支持部24aの一方の面の中心に軸部24cが垂直に立てられ、支持部24aの他方の面の中心にも軸部24dが垂直に立てられている。軸部24c、24dの先端は、所定の間隔離されており、軸部24c、24dの先端同士は、弾性体24eにより連結されている。このため、軸部24c、24dは、任意の方向に回転可能である。弾性体24eは、エラストマ、クッション材またはバネなどの剛性が低い材料(柔軟性の高い材料)により構成されている。軸部24c、24dおよび弾性体24eによりジョイント機構部24bが構成される。アクチュエータ素子11の両端の開口部は、支持部24aにより閉鎖されている。
 図7A、図7Bに示すように、アクチュエータ10が、コイルスプリング12に代えて、円盤状を有する複数の支持部25aと、人体の関節構造を模した複数のジョイント機構部25bとを有する連結体25を備えるようにしてもよい。複数のジョイント機構部25bは、隣接する支持部25aを任意の方向に回転可能に連結している。複数の支持部25aは、所定の間隔離して設けられ、アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持する。隣接する支持部25aの間には、一端に球状部25dを有し、他端に球状部25eを有する棒状の軸部25cが設けられている。軸部25cは、球状部25dの側がN極となり、球状部25eの側がわS極となる磁石である。球状部25dは支持部25aの一方の面の中央に位置し、球状部25eは支持部25aの他方の面の中央に位置している。極性の異なる球状部25e、25d同士は、支持部25aを介して引き合っている。このため、支持部25aを介して隣り合う軸部25cは、任意の方向に回転可能である。球状部25e、25dを膜25fにより覆っていてもよいが、このジョイント機構部25bは、図5に示したジョイント機構部23bとは異なり、球状部25e、25d同士が磁力により引き合うので、球状部25e、25dを膜25fにより覆っていなくてもよい。アクチュエータ素子11の両端の開口部は、支持部25aにより閉鎖されている。
 図8に示すように、アクチュエータ10が、コイルスプリング12に代えて、筒状のアクチュエータ素子11内に収容された複数の球体26aにより構成された支持体26を備えるようにしてもよい。複数の球体26aは、アクチュエータ素子11の高さ方向に隣接する球体26a同士が接触するようにアクチュエータ素子11内に収容されている。これにより、アクチュエータ素子11の内周面は複数の球体26aによりアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持され、アクチュエータ10は任意の方向に回転可能となっている。
 アクチュエータ10が、コイルスプリング12に代えて、アクチュエータ素子11の内周面をアクチュエータ素子11の高さ方向に離散的に支持可能であり、高分子樹脂を含む支持体を備えるようにしてもよい。高分子樹脂の具体例としては、例えば、誘電体層11aと同様の絶縁性エラストマが挙げられる。
 図9に示すように、高分子樹脂を含む支持体27は、複数の支持部27aと複数の軸部27bとを有するものであってもよい。支持部27aと軸部27bとは、高分子樹脂により一体的に成形されている。支持部27aは、円盤状を有し、その外周部によってアクチュエータ素子11の内周面を支持する。軸部27bは、アクチュエータ素子11の高さ方向に隣接する支持部27a同士を連結する。封止部材13、14と支持体27とが、高分子樹脂により一体的に成形されていてもよい。
(アクチュエータの製造方法の変形例)
 アクチュエータ10を以下のようにして製造するようにしてもよい。まず、図10Aに示すように、コイルスプリング12が伸張された状態でアクチュエータ10を組み立てる。この際、アクチュエータ10の内部空間の体積は、最終的に得られるアクチュエータ10の内部空間の体積よりも大きく、またアクチュエータ素子11の側面にくびれが発生した状態である。次に、図10Bに示すように、コイルスプリング12の伸張を開放して、アクチュエータ10の内部空間の体積を低減させることにより、アクチュエータ10の内圧を増加させる。これにより、アクチュエータ素子11の周面のくびれが抑制された、目的とするアクチュエータ10が得られる。
 なお、コイルスプリング12が伸縮されていない状態でアクチュエータ10を組み立てた後、アクチュエータ10の一端または両端を押圧して、アクチュエータ10の高さを低くすることにより、アクチュエータ10の内部空間の体積を低減させ、アクチュエータ10の内圧を増加させるようにしてもよい。
(その他の変形例)
 アクチュエータ素子11が、積層されたシート状の誘電エラストマアクチュエータ素子により構成されていてもよい。この場合、予め円筒状に形成された複数の誘電エラストマアクチュエータ素子が、コイルスプリング12の周りに同心状に積層されていてもよいし、帯状を有する1枚の誘電エラストマアクチュエータ素子がコイルスプリング12の周りに巻回されて積層されていてもよい。第1の実施形態にて説明したように、アクチュエータ素子11の周面にくびれが発生することが抑制されているので、誘電エラストマアクチュエータ素子が積層された場合に、積層された誘電エラストマアクチュエータ素子間に空気が入りこむことが抑制される。
 アクチュエータ10が、電極11a、11bに代えて、誘電体層11aの両面の全体またはほぼ全体に設けられた第1、第2の電極を備えるようにしてもよい。
 第1の実施形態ではアクチュエータ素子11およびコイルスプリング12が円筒状を有する構成を例として説明したが、アクチュエータ素子11およびコイルスプリング12が四角筒状などの角筒状を有していてもよい。
 アクチュエータ10の内部空間が、気体に代えて液体または固体により満たされていてもよい。ここで、液体は、例えば水または食塩水などである。また、固体は、例えばゾルまたはゲルなどである。
<2 第2の実施形態>
[内視鏡モジュールの構成]
 本技術の第2の実施形態に係る内視鏡モジュールは、図11に示すように、内視鏡30と、制御部41と、屈曲駆動回路42と、内圧検出回路43と、加圧部44と、減圧部45とを備える。制御部41は電源46に接続される。なお、第2の実施形態において第1の実施形態と同様の箇所には同一の符号を付して説明を省略する。
 内視鏡30は、操作部31と、支持部32と、屈曲部であるアクチュエータ33と、先端部34、感圧センサ35とを備える。アクチュエータ33と、感圧センサ35と、制御部41と、屈曲駆動回路42と、内圧検出回路43と、加圧部44と、減圧部45とによりアクチュエータモジュールが構成される。感圧センサ35と内圧検出回路43とにより、アクチュエータ33の内部空間の圧力を検出する検出部が構成される。
 操作部31には、内視鏡を操作するためのものボタンやノブなどが設けられている。支持部32は、操作部31とアクチュエータ33との間に設けられ、アクチュエータ33を支持する。支持部32は、剛性を有し、内部に加圧部44とアクチュエータ33とを繋ぐ通気孔を有している。
 アクチュエータ33は、アクチュエータ素子11とコイルスプリング12とを備え、アクチュエータ33の内部空間は密閉されている。アクチュエータ素子11の一方の開口部は先端部34により閉鎖され、他端の開口部は支持部32により閉鎖されている。先端部34の先端面には、図12に示すように、照明レンズ34aおよび対物レンズ34bが設けられている。先端部34の表面のうち照明レンズ34aおよび対物レンズ34bの部分は、例えばステンレス鋼などにより構成されている。照明レンズ34aおよび対物レンズ34bは、例えばガラスレンズである。照明レンズ34aの内側には照明装置が設けられ、対物レンズ34bの内側にはCCDCharge Coupled Device)またはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの撮像素子が設けられている。撮像素子は、図示しない画像処理部を介して図示しない表示装置に接続されている。
 先端部34と操作部31とは、アクチュエータ33の内部空間に配置されたケーブルにより接続されており、このケーブルを介して操作信号が操作部31から先端部34に供給される。また、先端部34と画像処理部とは、アクチュエータ33の内部空間に配置されたケーブルにより接続されており、このケーブルを介して先端部34から画像処理部に映像信号が供給される。但し、操作部31が無線により操作信号を先端部34に供給するようにしてもよいし、先端部34が無線により映像信号を画像処理部に供給するようにしてもよい。
 感圧センサ35は、先端部34のうちアクチュエータ素子11の一端の開口部を閉鎖する部分に配置されている。但し、感圧センサ35の配置位置は、アクチュエータ33の内圧を検出する検出可能な位置であればよく、これに限定されるものではない。感圧センサ35は、アクチュエータ33の内圧に応じた電気信号を内圧検出回路43に出力する。感圧センサ35としては、例えばダイアフラムゲージなどを用いることができる。
 内圧検出回路43は、感圧センサ35から供給される電気信号に基づき、アクチュエータ33の内圧を検出し、制御部41に供給する。加圧部44は、ポンプまたはレギュレータなどであり、制御部41の制御に基づき、アクチュエータ33の内部空間に気体を供給し、アクチュエータ33の内部空間を加圧する。気体は、例えば、空気、希ガスおよび二酸化炭素などのうちの少なくとも1種である。減圧部45は、ダイアフラムバルブなどの電磁弁であり、制御部41の制御に基づき、アクチュエータ33の内部空間の気体を排気し、アクチュエータ33の内部空間を減圧する。
 制御部41は、操作部31から供給される制御信号に基づき、屈曲駆動回路42および加圧部44を制御する。制御部41は、内圧検出回路43から供給される内圧に基づき、アクチュエータ33の内圧が規定の圧力となるように、加圧部44および減圧部45をフィードバック制御する。ここで、規定の圧力とは、アクチュエータ33のくびれ発生が抑制される圧力である。なお、アクチュエータ33の内圧があまりに高すぎると、アクチュエータ素子11に膨れが発生する虞があるので、アクチュエータ33の内圧の上限値は、アクチュエータ素子11に膨れが発生しない圧力であることが好ましい。屈曲駆動回路42は、制御部41から供給される制御信号に基づき、アクチュエータ33を屈曲駆動させる。
[電源投入時の内圧制御方法]
 次に、図13を参照して、電源投入時の内圧制御方法について説明する。まず、ステップS11において電源46が投入されると、ステップS12において、制御部41は加圧部44を駆動し、アクチュエータ33を加圧し、アクチュエータ33の内圧を上昇させる。次に、ステップS13において、内圧検出回路43が、感圧センサ35から供給される電気信号に基づきアクチュエータ33の内圧を検出し、検出結果を制御部41に供給する。
 次に、ステップS14において、制御部41は、内圧検出回路43から供給された内圧に基づき、アクチュエータ33の内圧が規定の圧力に到達したか否かを判断する。ステップS14にてアクチュエータ33の内圧が規定の圧力に到達したと判断された場合には、ステップS15において、制御部41は加圧部44を停止し、ステップS16において、制御部41は内視鏡30に対する操作待ちの状態となる。一方、ステップS14にてアクチュエータ33の内圧が規定の圧力に到達していないと判断された場合には、制御部41は処理をステップS12に戻す。
[操作時の内圧制御方法]
 次に、図14を参照して、操作時の内圧制御方法について説明する。まず、ステップS21において内視鏡30の操作が開始されると、ステップS22において、内圧検出回路43が、感圧センサ35から供給される電気信号に基づきアクチュエータ33の内圧を検出し、検出結果を制御部41に供給する。次に、ステップS23において、制御部41は、内圧検出回路43から供給された内圧に基づき、アクチュエータ33の内圧が規定の圧力より低いか否かを判断する。
 ステップS23にてアクチュエータ33の内圧が規定の圧力より低いと判断された場合には、ステップS24において、制御部41は加圧部44を駆動し、アクチュエータ33内を加圧し、アクチュエータ33の内圧を上昇させる。次に、ステップS25において、内圧検出回路43が、感圧センサ35から供給される電気信号に基づきアクチュエータ33の内圧を検出し、検出結果を制御部41に供給する。
 次に、ステップS26において、制御部41は、内圧検出回路43から供給された内圧に基づき、アクチュエータ33の内圧が規定の圧力に到達したか否かを判断する。ステップS26にてアクチュエータ33の内圧が規定の圧力に到達したと判断された場合には、ステップS27において、制御部41は加圧部44を停止し、処理をステップS22に戻す。一方、ステップS26にてアクチュエータ33の内圧が規定の圧力に到達していないと判断された場合には、制御部41は処理をステップS24に戻す。
 ステップS23にてアクチュエータ33の内圧が規定の圧力より低くないと判断された場合には、ステップS28において、制御部41は、内圧検出回路43から供給された内圧に基づき、アクチュエータ33の内圧が規定の圧力より高いか否かを判断する。ステップS28にてアクチュエータ33の内圧が規定の圧力より高いと判断された場合には、ステップS29において、制御部41は減圧部45を駆動し、アクチュエータ33内を減圧し、アクチュエータ33の内圧を低下させる。一方、ステップS28にてアクチュエータ33の内圧が規定の圧力より高くないと判断された場合には、制御部41は処理をステップS22に戻す。
 次に、ステップS30において、内圧検出回路43が、感圧センサ35から供給される電気信号に基づきアクチュエータ33の内圧を検出し、検出結果を制御部41に供給する。次に、ステップS31において、制御部41は、内圧検出回路43から供給された内圧に基づき、アクチュエータ33の内圧が規定の圧力に到達したか否かを判断する。ステップS31にてアクチュエータ33の内圧が規定の圧力に到達したと判断された場合には、ステップS32において、制御部41は減圧部45を停止し、処理をステップS22に戻す。一方、ステップS31にてアクチュエータ33の内圧が規定の圧力に到達していないと判断された場合には、制御部41は処理をステップS29に戻す。
[効果]
 第2の実施形態に係る内視鏡モジュールでは、アクチュエータ33の内圧を増加させる加圧部44を備えるので、アクチュエータ33の内圧をアクチュエータ33の外圧よりも高くできる。したがって、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
 また、アクチュエータ33の内圧を増加させる加圧部44とアクチュエータ33の内圧を減少させる減圧部45とを備えるので、内視鏡モジュールの操作時にアクチュエータ33の内圧を規定の圧力に調整することができる。
[変形例]
 図15に示すように、内視鏡モジュールが、加圧部44に代えて、加熱部47を備えるようにしてもよい。加熱部47としては、例えば赤外線ヒータなどを用いることができる。制御部41aは、加熱部47を制御して、アクチュエータ33の内部空間を加熱し、気体を膨張させることにより、アクチュエータ33の内圧を上昇させる。
 内視鏡モジュールが、加圧部44と加熱部47との両方を備えるようにしてもよい。この場合、加圧部44と加熱部47との両方を同時に動作させてもよいし、加圧部44と加熱部47とをモード切り替えにより選択的に動作させてもよい。
 内視鏡モジュールが減圧部45を備えていなくてもよい。この場合、制御部41は、図14に示したフローチャートにおいて、アクチュエータ33の内圧を増加させる動作のみを実行する。
 図14に示したステップS22、S25、S30の圧力検出動作は、内視鏡モジュールの操作時に所定の時間間隔で繰り返し行われるようにしてもよい。
<3 第3の実施形態>
[内視鏡モジュールの構成]
 本技術の第3の実施形態に係る内視鏡モジュールは、図16に示すように、内視鏡30と、制御部41bと、屈曲駆動回路42と、屈曲角度検出回路48と、内圧検出回路43bと、加圧部44と、減圧部45とを備える。制御部41bは電源46に接続される。なお、第3の実施形態において第2の実施形態と同様の箇所には同一の符号を付して説明を省略する。
 アクチュエータ素子11が有する誘電体層11aの内周面、外周面にそれぞれ設けられた電極11b、11c(図2A、図2B参照)は、アクチュエータ33の屈曲や内圧変化によって変形する。内圧検出回路43bは、誘電体層11aを介して対向する電極11b、11c間の静電容量変化(距離変化)からアクチュエータ33の内圧を検出し、検出結果を制御部41bに供給する。屈曲角度検出回路48は、電極11b、11cの変形による電気抵抗変化からアクチュエータ33の屈曲角度を検出し、検出結果を制御部41bに供給する。制御部41bは、内圧検出回路43bから供給される内圧、および屈曲角度検出回路48から供給される屈曲角度に基づき、アクチュエータ33の内圧が規定の圧力となるように、加圧部44および減圧部45をフィードバック制御する。
[効果]
 第3の実施形態に係る内視鏡モジュールは、アクチュエータ33の内圧および屈曲角度に基づき、アクチュエータ33の内圧が規定の圧力となるように、加圧部44および減圧部45をフィードバック制御する。このため、第2の実施形態に係る内視鏡モジュールよりも、アクチュエータ33の操作時においてアクチュエータ33の内圧を適切に制御することが可能である。
[変形例]
 内視鏡モジュールが、加圧部44に代えて加熱部47を備えるようにしてもよいし、加圧部44と共に加熱部47を備えるようにしてもよい。また、内視鏡モジュールが減圧部45を備えていなくてもよい。
<4 第4の実施形態>
[アクチュエータの構成]
 本技術の第4の実施形態に係るアクチュエータ50は、密閉された構造を有するスピーカであり、図17に示すように、円筒状のアクチュエータ素子51と、アクチュエータ素子11の両端部を支持する支持体52とを備える。アクチュエータ50の内圧は、アクチュエータ50の外圧に比べて高くなっている。
 円筒状のアクチュエータ素子51は、円筒状の誘電体層と、誘電体層の内周面に設けられた第1の電極と、誘電体層の外周面に設けられた第2の電極とを備える。第1、第2の電極は、誘電体層の内周面、外周面に所定のパターンで設けられていてもよいし、誘電体層の内周面、外周面の全体またはほぼ全体に設けられていてもよい。支持体52は、軸部52aと、軸部52aの両端に設けられた円盤状の支持部52b、52cとを備える。
[効果]
 第4の実施形態に係るアクチュエータ50では、アクチュエータ50の内圧がアクチュエータ50の外圧よりも高くなっているので、第1の実施形態に係るアクチュエータ10と同様の効果を得ることができる。
[変形例]
 アクチュエータ素子11が四角筒状などの角筒状を有し、支持部52b、52cが四角形などの多角形状を有していてもよい。
 第4の実施形態におけるアクチュエータ50と、第2の実施形態における感圧センサ35と、制御部41と、内圧検出回路43と、加圧部44と、減圧部45とによりアクチュエータモジュールを構成するようにしてもよい。この場合、アクチュエータモジュールが、加圧部44に代えて加熱部47を備えるようにしてもよいし、加圧部44と共に加熱部47を備えるようにしてもよい。また、アクチュエータモジュールが減圧部45を備えていなくてもよい。
<5 第5の実施形態>
[アクチュエータの構成]
 本技術の第5の実施形態に係るアクチュエータ60は、密閉された構造を有するスピーカであり、図18に示すように、矩形状のアクチュエータ素子61と、アクチュエータ素子61の周縁部を支持する支持体62とを備える。アクチュエータ60の内圧は、アクチュエータ60の外圧に比べて高くなっている。
 矩形状のアクチュエータ素子61は、矩形状の誘電体層と、誘電体層の一方の面に設けられた第1の電極と、誘電体層の他方の面に設けられた第2の電極とを備える。第1、第2の電極は、誘電体層の両面に所定のパターンで設けられていてもよいし、誘電体層の両面の全体またはほぼ全体に設けられていてもよい。支持体62は、アクチュエータ素子61を凸状に湾曲した状態に支持する。
[効果]
 第5の実施形態に係るアクチュエータ60では、アクチュエータ60の内圧がアクチュエータ60の外圧よりも高くなっているので、第1の実施形態に係るアクチュエータ10と同様の効果を得ることができる。
[変形例]
 アクチュエータ60が、第4の実施形態の変形例と同様にアクチュエータモジュールを構成するようにしてもよい。
 以上、本技術の実施形態について具体的に説明したが、本技術は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
 例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。
 また、上述の実施形態の構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、本技術の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
 また、本技術は以下の構成を採用することもできる。
(1)
 筒状のアクチュエータ素子と、
 前記アクチュエータ素子の内周面を支持する支持体と
 を備え、
 前記アクチュエータ素子の内圧が、前記アクチュエータ素子の外圧よりも高いアクチュエータ。
(2)
 前記支持体は、前記アクチュエータ素子の内周面を前記アクチュエータ素子の高さ方向に離散的に支持している(1)に記載のアクチュエータ。
(3)
 前記支持体は、コイルスプリング、複数の支持部がジョイント機構部により連結された連結体、または複数の球体である(1)または(2)に記載のアクチュエータ。
(4)
 前記アクチュエータ素子の内側の空間を満たす気体または液体をさらに備える(1)から(3)のいずれかに記載のアクチュエータ。
(5)
 前記アクチュエータ素子は、誘電エラストマアクチュエータ素子である(1)から(4)のいずれかに記載のアクチュエータ。
(6)
  前記誘電エラストマアクチュエータ素子は、積層されている(5)に記載のアクチュエータ。
(7)
 前記アクチュエータ素子は、筒状の誘電体層と、前記誘電体層の内周面に設けられた第1の電極と、前記誘電体層の外周面に設けられた第2の電極とを備える(5)または(6)に記載のアクチュエータ。
(8)
 前記アクチュエータ素子は、筒状の誘電体層と、前記誘電体層の内周面に設けられた複数の第1の電極と、前記誘電体層の外周面に設けられた複数の第2の電極とを備え、
 前記第1の電極および前記第2の電極は、前記誘電体層を介して対向すると共に、前記アクチュエータ素子の高さ方向に延設されている(5)または(6)に記載のアクチュエータ。
(9)
 (1)から(8)のいずれかに記載のアクチュエータを備える内視鏡。
(10)
 筒状のアクチュエータ素子、および前記アクチュエータ素子の内周面を支持する支持体を有するアクチュエータと、
 前記アクチュエータの駆動を制御する制御部と、
 前記アクチュエータの内部空間を加圧する加圧部と
 を備えるアクチュエータモジュール。
(11)
 前記内部空間の圧力を検出する検出部をさらに備え、
 前記制御部は、前記検出部の検出結果に応じて、前記加圧部を制御する(10)に記載のアクチュエータモジュール。
(12)
 前記内部空間を減圧する減圧部をさらに備え、
 前記制御部は、前記検出部の検出結果に応じて、前記減圧部を制御する(11)に記載のアクチュエータモジュール。
(13)
 前記加圧部は、前記内部空間に気体または液体を供給することで、前記アクチュエータの内部空間を加圧する(10)から(12)のいずれかに記載のアクチュエータモジュール。
(14)
 (10)から(13)のいずれかに記載のアクチュエータモジュールを備える内視鏡モジュール。
(15)
 アクチュエータ素子と、
 前記アクチュエータ素子を支持する支持体と
 を備え、
 前記アクチュエータ素子の内圧が、前記アクチュエータ素子の外圧よりも高いアクチュエータ。
(16)
 前記アクチュエータ素子は、筒状を有し、
 前記支持体は、前記アクチュエータ素子の両端部を支持している(15)に記載のアクチュエータ。
(17)
 前記支持体は、前記アクチュエータ素子の周縁部を支持している(15)または(16)に記載のアクチュエータ。
(18)
 アクチュエータの内部空間の圧力を検出し、
 前記検出の結果に基づき、前記アクチュエータの内部空間を加圧または減圧する
 ことを含む制御方法。
 10、33、50、60  アクチュエータ
 11、51、61  アクチュエータ素子11
 12  コイルスプリング(支持体)
 13、14  封止部材
 21、22、23、24、25  連結体(支持体)
 26、27、52、62  支持体
 26a  球体
 35  感圧センサ
 41、41a、41b  制御部
 42  屈曲駆動回路
 43  内圧検出回路
 44  加圧部
 45  減圧部

Claims (18)

  1.  筒状のアクチュエータ素子と、
     前記アクチュエータ素子の内周面を支持する支持体と
     を備え、
     前記アクチュエータ素子の内圧が、前記アクチュエータ素子の外圧よりも高いアクチュエータ。
  2.  前記支持体は、前記アクチュエータ素子の内周面を前記アクチュエータ素子の高さ方向に離散的に支持している請求項1に記載のアクチュエータ。
  3.  前記支持体は、コイルスプリング、複数の支持部がジョイント機構部により連結された連結体、または複数の球体である請求項1に記載のアクチュエータ。
  4.  前記アクチュエータ素子の内側の空間を満たす気体または液体をさらに備える請求項1に記載のアクチュエータ。
  5.  前記アクチュエータ素子は、誘電エラストマアクチュエータ素子である請求項1に記載のアクチュエータ。
  6.  前記誘電エラストマアクチュエータ素子は、積層されている請求項5に記載のアクチュエータ。
  7.  前記アクチュエータ素子は、筒状の誘電体層と、前記誘電体層の内周面に設けられた第1の電極と、前記誘電体層の外周面に設けられた第2の電極とを備える請求項5に記載のアクチュエータ。
  8.  前記アクチュエータ素子は、筒状の誘電体層と、前記誘電体層の内周面に設けられた複数の第1の電極と、前記誘電体層の外周面に設けられた複数の第2の電極とを備え、
     前記第1の電極および前記第2の電極は、前記誘電体層を介して対向すると共に、前記アクチュエータ素子の高さ方向に延設されている請求項5に記載のアクチュエータ。
  9.  請求項1に記載のアクチュエータを備える内視鏡。
  10.  筒状のアクチュエータ素子、および前記アクチュエータ素子の内周面を支持する支持体を有するアクチュエータと、
     前記アクチュエータの駆動を制御する制御部と、
     前記アクチュエータの内部空間を加圧する加圧部と
     を備えるアクチュエータモジュール。
  11.  前記内部空間の圧力を検出する検出部をさらに備え、
     前記制御部は、前記検出部の検出結果に応じて、前記加圧部を制御する請求項10に記載のアクチュエータモジュール。
  12.  前記内部空間を減圧する減圧部をさらに備え、
     前記制御部は、前記検出部の検出結果に応じて、前記減圧部を制御する請求項11に記載のアクチュエータモジュール。
  13.  前記加圧部は、前記内部空間に気体または液体を供給することで、前記アクチュエータの内部空間を加圧する請求項10に記載のアクチュエータモジュール。
  14.  請求項10に記載のアクチュエータモジュールを備える内視鏡モジュール。
  15.  アクチュエータ素子と、
     前記アクチュエータ素子を支持する支持体と
     を備え、
     前記アクチュエータ素子の内圧が、前記アクチュエータ素子の外圧よりも高いアクチュエータ。
  16.  前記アクチュエータ素子は、筒状を有し、
     前記支持体は、前記アクチュエータ素子の両端部を支持している請求項15に記載のアクチュエータ。
  17.  前記支持体は、前記アクチュエータ素子の周縁部を支持している請求項15に記載のアクチュエータ。
  18.  アクチュエータの内部空間の圧力を検出し、
     前記検出の結果に基づき、前記アクチュエータの内部空間を加圧または減圧する
     ことを含む制御方法。
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