WO2019107309A1 - 誘電エラストマー駆動センサシステムおよびシート - Google Patents

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drive
sensor
area
sensor system
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正毅 千葉
美紀夫 和氣
広宣 近藤
昌弘 石川
啓治 大杉
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正毅 千葉
日本ゼオン株式会社
美紀夫 和氣
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    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/1071Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical and mechanical input and output, e.g. having combined actuator and sensor parts
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A47FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47CCHAIRS; SOFAS; BEDS
    • A47C7/00Parts, details, or accessories of chairs or stools
    • A47C7/62Accessories for chairs
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60NSEATS SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLES; VEHICLE PASSENGER ACCOMMODATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60N2/00Seats specially adapted for vehicles; Arrangement or mounting of seats in vehicles
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    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/857Macromolecular compositions

Definitions

  • the present invention relates to dielectric elastomeric drive sensor systems and sheets.
  • Patent Document 1 discloses bedding using such a unit.
  • a plurality of units using a dielectric elastomer layer fulfills the driving function and the sensor function.
  • the drive function it is intended to give a distribution to the repulsive force by causing the individual units to independently generate the repulsive force.
  • the sensor function by detecting the load applied to each unit, it is detected how the weight of the person lying on the bedding is distributed.
  • the unit disclosed in Patent Document 1 adopts, for example, a configuration in which two pairs of electrode layers are disposed so as to sandwich the dielectric elastomer layer in the direction orthogonal to each other. Whether it is a driving function or a sensor function, it is advantageous for enhancing the function that the area of the pair of electrode layers is large and the distance between them is short.
  • the area of the other pair of electrode layers decreases and the distance between them increases as the area of any one pair of electrode layers increases and the distance between the two electrode layers decreases. For this reason, it is difficult to enhance both the drive function and the sensor function.
  • a pair of electrode layers sandwiching the dielectric elastomer layer are used in combination for the driving function and the sensor function by time division.
  • the time to perform the sensor function is limited to exert the repulsive force to perform the drive function. For this reason, there is a problem that it is not suitable for applications in which the drive function and the sensor function are simultaneously required or in applications in which frequent detection is required.
  • the present invention has been conceived under the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a dielectric elastomer drive sensor system and a sheet capable of making the drive function and the sensor function compatible.
  • the dielectric elastomer drive sensor system provided by the first aspect of the present invention comprises a dielectric elastomer transducer part comprising a dielectric elastomer layer and a pair of electrode layers sandwiching the dielectric elastomer layer, said pair of electrode layers being mutually divided
  • a power supply unit that applies a voltage to the drive region; a detection unit that detects a change in capacitance of the sensor region; and controlling the power supply unit and the detection unit.
  • a control unit a control unit.
  • the area of the drive area is larger than the area of the sensor area.
  • the dielectric elastomer layer has a cylindrical shape, and the drive region and the sensor region are arranged in the circumferential direction of the dielectric elastomer layer.
  • the pair of electrode layers has a plurality of the drive regions and a plurality of the sensor regions.
  • the plurality of drive regions and the plurality of sensor regions are arranged to have periodicity in the circumferential direction when viewed in the axial direction of the dielectric elastomer layer.
  • the dielectric elastomer transducer portion further includes a support having a fixed portion and a movable portion each attached to the dielectric elastomer layer, and an external force is transmitted to the movable portion.
  • the dielectric elastomer layer is stretched by relative movement of the movable portion with respect to the fixed portion.
  • the sheet provided by the second aspect of the present invention comprises the dielectric elastomer drive sensor system provided by the first aspect of the present invention, and a sheet body to which the dielectric elastomer transducer portion is attached.
  • the drive function and the sensor function can be compatible.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a dielectric elastomer drive sensor system according to a first embodiment of the present invention. It is a top view showing a dielectric elastomer drive sensor system concerning a 1st embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. It is a system configuration figure showing a dielectric elastomer drive sensor system concerning a 1st embodiment of the present invention. It is a perspective view showing a sheet concerning a 1st embodiment of the present invention. It is a top view which shows the modification of a dielectric elastomer transducer part. It is a perspective view showing a dielectric elastomer drive sensor system concerning a 2nd embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII of FIG. 7; It is sectional drawing which shows the state which external force acted on the dielectric elastomer transducer part of FIG.
  • FIG. 1 to 3 show a dielectric elastomer transducer portion of a dielectric elastomer drive sensor system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a dielectric elastomer drive sensor system according to the first embodiment of the present invention. It shows.
  • the dielectric elastomer drive sensor system A1 of the present embodiment includes a dielectric elastomer transducer unit B1, a power supply unit 51, a detection unit 61, and a control unit 7.
  • the dielectric elastomer transducer portion B1 of the present embodiment has a dielectric elastomer layer 1, a pair of electrode layers 2, a pair of supports 3 and a spring 4.
  • the pair of supports 3 and the spring 4 are an example of a structure for causing the dielectric elastomer layer 1 and the pair of electrode layers 2 of the dielectric elastomer transducer unit B1 to exhibit a drive function and a sensor function.
  • the specific configuration of the dielectric elastomer transducer unit B1 is not limited in any way as long as it can perform the drive function and the sensor function.
  • the dielectric elastomer layer 1 is required to be elastically deformable and to have high insulating strength.
  • the material of such dielectric elastomer layer 1 is not particularly limited, but preferred examples include silicone elastomer and acrylic elastomer.
  • the pair of electrode layers 2 sandwich the dielectric elastomer layer 1.
  • the electrode layer 2 is formed of a material which has conductivity and can be elastically deformed so as to follow the elastic deformation of the dielectric elastomer layer 1.
  • a material in which a filler that imparts conductivity to an elastically deformable main material is mixed is mentioned.
  • a carbon nanotube is mentioned, for example.
  • the pair of supports 3 is a member to which the upper limit end of the dielectric elastomer layer 1 is fixed.
  • each of the pair of supports 3 is formed of a circular plate member.
  • the lower support 3 is larger than the upper support 3.
  • the dielectric elastomer layer 1 is formed in a truncated cone shape which is one aspect of a cylindrical shape.
  • the dielectric elastomer layer 1 is formed in the cylindrical shape which is one aspect
  • the cylindrical shape in this invention refers to the shape which makes cyclic
  • an elliptical cylindrical shape whose radial dimension is not constant in the circumferential direction is included in the cylindrical shape.
  • the truncated cone shape is an example of an aspect in which the radial dimension is not constant in the axial direction.
  • the spring 4 is a tension generating member for generating tension by stretching the dielectric elastomer layer 1, and both ends thereof are attached to a pair of supports 3.
  • the illustrated state is a state in which a voltage is not applied to the pair of electrode layers 2. In this state, the spring 4 is compressed and the dielectric elastomer layer 1 is axially stretched. Thereby, tension is generated in the dielectric elastomer layer 1.
  • a pair of electrode layers 2 are formed on the outer surface and the inner surface of the dielectric elastomer layer 1.
  • the pair of electrode layers 2 has two drive regions 21 and two sensor regions 22.
  • the drive area 21 is hatched with a relatively dark tone
  • the sensor area 22 is hatched with a relatively light tone.
  • the drive area 21 and the sensor area 22 are separated from each other by, for example, a slit or the like, and are isolated from each other.
  • the drive region 21 is for causing the dielectric elastomer transducer unit B1 to function as an actuator by voltage application by the power supply unit 51.
  • the sensor area 22 is for causing the dielectric elastomer transducer unit B1 to function as a sensor when the detection unit 61 detects a change in capacitance.
  • the number and shape of the drive area 21 and the sensor area 22 are not limited at all.
  • the number of driving areas 21 may be one or three or more, and the number of sensor areas 22 may be one or three or more.
  • the two drive areas 21 and the two sensor areas 22 are alternately arranged in the circumferential direction of the dielectric elastomer layer 1.
  • the area of the drive area 21 is larger than the area of the sensor area 22.
  • the two drive areas 21 and the two sensor areas 22 are arranged to have periodicity in the circumferential direction when viewed in the axial direction.
  • the two drive regions 21 and the two drive regions 21 are point symmetric.
  • the two sensor areas 22 are formed as an axially-viewed band area located on the opposite side in the radial direction.
  • the two drive regions 21 are sized to approach half the size of the dielectric elastomer layer 1 in an axial view.
  • FIG. 4 for convenience of illustrating the system configuration of the dielectric elastomer drive sensor system A1, the arrangement of the two drive areas 21 and the two sensor areas 22 is schematically shown.
  • the power supply unit 51 applies a voltage for driving the dielectric elastomer transducer unit B ⁇ b> 1 to two drive regions 21 of the pair of electrode layers 2.
  • the specific configuration of the power supply unit 51 is not particularly limited, as long as a predetermined voltage can be applied to the pair of electrode layers 2 in a predetermined time by a command of the control unit 7.
  • the power supply unit 51 is configured to be capable of independently applying a voltage to each of the two drive regions 21.
  • the detection unit 61 regards the dielectric elastomer layer 1 and the two sensor regions 22 as variable capacitors, and detects a change in capacitance of the variable capacitors.
  • the detection method of the capacitance is not particularly limited, and various conventionally known detection methods may be employed.
  • Detection unit 61 has, for example, a conventionally known CR oscillation circuit, LC oscillation circuit, oscillation circuit using timer IC, etc., and a circuit for generating, for example, an alternating current electrical signal.
  • the detection unit 61 also has a detection circuit that detects a change in the capacitance C of the dielectric elastomer transducer unit B1 based on the output signal of the dielectric elastomer transducer unit B1 with respect to the input from the oscillation circuit and the power supply.
  • the configuration of the detection circuit is not particularly limited as long as the relationship between the output signal of the dielectric elastomer transducer unit B1 and the capacitance C can be detected based on various methods known in the related art. Examples of the detection circuit include a microcomputer, an L / C oscillation circuit, a counter, and the like.
  • the detection unit 61 may further include a determination circuit that determines whether a capacitance change satisfying a predetermined standard has occurred based on the detection result of the output signal of the dielectric elastomer transducer unit B1.
  • the detection unit 61 may also include an intermediate circuit (not shown) for processing the output signal into a signal suitable for the determination circuit.
  • the intermediate circuit appropriately includes, for example, an amplification circuit, a filter circuit, a detection circuit, an A / D conversion IC, a comparator, and the like.
  • the detection processing by the detection unit 61 is configured to be independently detectable for each of the two sensor regions 22.
  • the control unit 7 integrally controls the drive function and the sensor function of the dielectric elastomer transducer unit B1 by controlling the power supply unit 51 and the detection unit 61.
  • the control unit 7 includes, for example, a CPU, an FPGA, a DSP, a memory, an interface, and the like.
  • FIG. 5 shows an application of the dielectric elastomer drive sensor system A1.
  • the illustrated sheet C1 comprises a sheet body 8 and a dielectric elastomer drive sensor system A1.
  • the sheet C1 is for the user to be seated, and is used in various applications such as for cars, ships, homes, games, and nursing care. In the following description, the case where the sheet C1 is a car seat will be described as an example.
  • the seat body 8 is used as an interior part of a car, and has a seat surface and a backrest suitable for a passenger of the car to sit on.
  • the plurality of dielectric elastomer transducer units B ⁇ b> 1 of the dielectric elastomer drive sensor system A ⁇ b> 1 are disposed inside the seat surface of the sheet body 8.
  • the arrangement of the plurality of dielectric elastomer transducer portions B1 is, for example, in the form of a matrix. Depending on the number of the plurality of dielectric elastomer transducer units B1, a plurality of any or all of the power supply unit 51 and the detection unit 61 described above may be provided.
  • the pair of electrode layers 2 formed in one dielectric elastomer layer 1 has the drive area 21 and the sensor area 22 which are separated from each other.
  • the dielectric elastomer transducer unit B1 is driven to extend in the axial direction.
  • the sensor regions 22 formed in the same dielectric elastomer layer 1 are similarly elongated.
  • the thickness of the dielectric elastomer layer 1 is reduced, the distance between the pair of electrode layers 2 is reduced.
  • the sensor area 22 is not electrically affected at all even when a voltage is applied to the drive area 21.
  • the control unit 7 can detect the deformation state of the dielectric elastomer transducer unit B ⁇ b> 1 by causing the detection unit 61 to detect a change in the capacitance C of the sensor region 22. Therefore, according to the dielectric elastomer drive sensor system A1, the drive function and the sensor function can be compatible.
  • the area of the drive area 21 is larger than the area of the sensor area 22.
  • the area of the drive region 21 correlates with the amount of deformation of the dielectric elastomer layer 1.
  • the amount of deformation of the dielectric elastomer layer 1 increases as the area of the drive region 21 increases, and the amount of drive of the dielectric elastomer transducer portion B1 can be increased.
  • the area of the sensor region 22 only needs to be able to detect the amount of deformation of the dielectric elastomer layer 1 as a change in the capacitance C. Therefore, the correlation between the area of the sensor area 22 and the accuracy of the sensor function is not so great. Therefore, by making the area of the drive area 21 larger than the area of the sensor area 22, the drive function can be improved while maintaining the sensor function.
  • the pair of electrode layers 2 has two drive regions 21. Therefore, when the voltage is applied to both drive regions 21, the entire dielectric elastomer transducer unit B1 extends in the axial direction, and when a voltage is applied to only one of the drive regions 21, the dielectric elastomer transducer unit B1 tilts to one side To be transformed. As described above, in the present embodiment, a plurality of operation modes of the dielectric elastomer transducer unit B1 can be set. In addition, when the pair of electrode layers 2 includes two sensor regions 22, the deformation amount of the dielectric elastomer layer 1 in the portion where each of the sensor regions 22 is provided can be independently detected.
  • the two drive regions 21 are arranged to have periodicity in the circumferential direction as viewed in the axial direction, and are point-symmetrical in the illustrated example. Thus, when a voltage is applied to both of the two drive regions 21, the dielectric elastomer transducer portion B1 can be deformed in a more balanced manner.
  • the load (weight) applied to each dielectric elastomer transducer portion B1 can be detected by using the sensor area 22 of each dielectric elastomer transducer portion B1.
  • the control unit 7 sets the amount of deformation (repulsive force) to be generated by the drive function of each of the dielectric elastomer transducer units B1, for example, according to the load applied to each of the dielectric elastomer transducer units B1.
  • the control unit 7 applies a voltage from the power supply unit 51 to each drive region 21 in accordance with the amount of deformation (repulsion force) set for each dielectric elastomer transducer unit B1, so that the load is relatively large.
  • Control is performed such that the region is suppressed to a relatively small repulsive force and supported by a relatively large repulsive force in a region where the load is relatively small. Thereby, it is possible to make the load distribution applied to the plurality of dielectric elastomer transducer portions B1 more uniform. Therefore, even if the load distribution on the seat surface of the seat body 8 may differ depending on the type and the like of the individual occupants, the dielectric elastomer drive sensor system A1 can support the occupants more comfortably.
  • the drive function and the sensor function can be simultaneously exhibited.
  • various accelerations such as acceleration accompanying traveling and vibration of the engine act on the occupant, and the load distribution may be variously changed.
  • the dielectric elastomer drive sensor system A1 it is possible to detect this change in load distribution in real time. Then, the repulsive force in each dielectric elastomer transducer portion B1 can be changed without delay in the change of the load distribution. Therefore, according to the seat C1, it is possible to more appropriately support the occupant and to reduce unpleasant vibrations transmitted to the occupant according to the change in the load distribution to the seat body 8 when the vehicle is traveling.
  • the dielectric elastomer drive sensor system A1 can be used in various applications such as suppression of posture change at the time of deceleration and a massage effect by actively generating vibration.
  • FIGS 6-9 illustrate variations and other embodiments of the present invention.
  • elements that are the same as or similar to the above embodiment are given the same reference numerals as the above embodiment.
  • FIG. 6 shows a modification of the dielectric elastomer transducer portion B1.
  • the electrode layer 2 has three drive regions 21 and three sensor regions 22. Then, in the circumferential direction, one drive area 21 and one sensor area 22 are combined, and the three drive areas 21 and sensor areas 22 are arranged to have periodicity.
  • the dielectric elastomer transducer portion B1 when a voltage is applied to both of the three drive regions 21, the dielectric elastomer transducer portion B1 can be deformed in a more balanced manner. That is, even if the arrangement of the drive area 21 and the sensor area 22 is not point-symmetrical, the arrangement having the periodicity in the circumferential direction contributes to well-balanced deformation.
  • FIGS. 7-9 show a dielectric elastomer driven sensor system according to a second embodiment of the present invention.
  • the dielectric elastomer drive sensor system A2 of the present embodiment includes a dielectric elastomer transducer portion B2.
  • the dielectric elastomer transducer portion B2 includes a dielectric elastomer layer 1, an electrode layer 2 and a support 3.
  • the dielectric elastomer transducer portion B2 does not include the spring 4 or the like as a tension generating member that generates tension by stretching the dielectric elastomer layer 1 in the embodiment described above.
  • the support 3 of the present embodiment has a fixed part 31, a movable part 32 and an external force transmission part 33.
  • the fixing portion 31 is a portion that maintains a fixed state when an external force is applied due to seating of an occupant or the like, and is attached to the seat main body 8, for example.
  • the movable portion 32 is a portion that moves relative to the fixed portion 31 when an external force acts.
  • the outer peripheral portion of the dielectric elastomer layer 1 having an annular shape in the axial direction is attached to the fixed portion 31, and the inner peripheral portion is attached to the movable portion 32.
  • the external force transmission unit 33 is a portion attached to the movable portion 32 and transmitting an external force due to seating or the like to the movable portion 32.
  • the external force transmission unit 33 includes a rod-shaped portion and a disk-shaped portion provided at the upper end of the rod-shaped portion.
  • FIG. 7 and FIG. 8 show an initial state in which the occupant is not seated yet. In this state, the dielectric elastomer layer 1 is not given a clear extension and no significant tension is generated.
  • FIG. 9 shows a state in which the weight of the occupant acts on the external force transmitter 33 and the external force directed downward from above in the figure acts on the external force transmitter 33 due to seating of the occupant or the like. This external force is transmitted to the movable portion 32 via the external force transmission portion 33. For this reason, the movable portion 32 moves downward with respect to the fixed portion 31 in the drawing. Due to the relative movement of the movable portion 32, the dielectric elastomer layer 1 is stretched, and the dielectric elastomer layer 1 has a truncated cone shape.
  • the elastic force (repulsive force) generated by the dielectric elastomer layer 1 of the dielectric elastomer transducer portion B2 becomes maximum.
  • the elastic force (repulsive force) of the dielectric elastomer layer 1 is weakened.
  • the control unit 7 correlates the voltage application to the drive region 21 of the pair of electrode layers 2 and the repulsive force according to the detection result of the change in capacitance of the sensor region 22 of the pair of electrode layers 2 by the detection unit 61. Control of the power supply unit 51 in consideration of
  • the drive function and the sensor function are compatible.
  • the dielectric elastomer layer 1 is elongated by utilizing an external force caused by seating or the like, it is not necessary to provide the spring 4 or the like in the dielectric elastomer drive sensor system A1. This is preferable for reducing the weight of the dielectric elastomer transducer portion B2.
  • the dielectric elastomer drive sensor system and sheet according to the present invention are not limited to the embodiments described above.
  • the specific configuration of each part of the dielectric elastomer drive sensor system and the seat according to the present invention can be varied in design in many ways.
  • a dielectric elastomer transducer portion including a dielectric elastomer layer and a pair of electrode layers sandwiching the dielectric elastomer layer;
  • the pair of electrode layers has a drive area and a sensor area which are separated from each other.
  • a power supply unit that applies a voltage to the drive region;
  • a detection unit that detects a change in capacitance of the sensor area;
  • a control unit that controls the power supply unit and the detection unit;
  • a dielectric elastomer drive sensor system comprising: [Supplementary Note 2] The dielectric elastomer drive sensor system according to claim 1, wherein an area of the drive area is larger than an area of the sensor area.
  • the dielectric elastomer layer has a tubular shape
  • the dielectric elastomer drive sensor system according to Appendix 1 or 2 wherein the drive region and the sensor region are arranged in the circumferential direction of the dielectric elastomer layer.
  • Clause 3 The dielectric elastomer drive sensor system according to clause 3, wherein the pair of electrode layers comprises a plurality of the drive regions and a plurality of the sensor regions.
  • the dielectric elastomer drive sensor system according to claim 4, wherein the plurality of drive regions and the plurality of sensor regions are arranged to have periodicity in the circumferential direction when viewed in the axial direction of the dielectric elastomer layer.
  • the dielectric elastomer transducer portion further comprises a support having fixed and movable portions, each attached to the dielectric elastomer layer, The dielectric elastomer drive sensor system according to any one of appendices 1 to 5, wherein the external force is transmitted to the movable portion, and the dielectric elastomer layer is elongated by relative movement of the movable portion with respect to the fixed portion.

Abstract

誘電エラストマー駆動センサシステムは、誘電エラストマー層および当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を含む誘電エラストマートランスデューサ部を備え、前記一対の電極層は、互いに区画された駆動領域とセンサ領域とを有し、前記駆動領域に電圧を印加する電源部と、前記センサ領域の静電容量の変化を検出する検出部と、前記電源部および前記検出部を制御する制御部と、を備える。このような構成により、駆動機能とセンサ機能とを両立させることができる。

Description

誘電エラストマー駆動センサシステムおよびシート
 本発明は、誘電エラストマー駆動センサシステムおよびシートに関する。
 誘電エラストマー層および当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を有するユニットは、様々な機能を発揮できるという利点がある。特許文献1では、このようなユニットを用いた寝具が開示されている。同文献に開示された寝具においては、誘電エラストマー層を用いた複数のユニットが、駆動機能とセンサ機能とを果たしている。駆動機能においては、個々のユニットに独立して反発力を生じさせることにより、反発力に分布を持たせることが意図されている。センサ機能においては、各ユニットにかかる荷重を検出することにより、寝具に横たわる人の体重がどのように分布するかを検出する。センサ機能で得られた荷重分布に基づいて、駆動機能における反発力を設定することにより、利用者の体形によりフィットする寝具が提供される。
特開2010-42078号公報
 しかしながら、特許文献1で開示されたユニットは、たとえば互いに直交する方向において誘電エラストマー層を挟むように配置された2対の電極層を設ける構成が採用されている。駆動機能であっても、センサ機能であっても、一対の電極層の面積が大きく、互いの距離が近いことが、機能を高めるのに有利である。しかし、上述のユニットの場合、いずれか一方の一対の電極層の面積を拡大し且つ互いの距離を近づけるほど、他方の一対の電極層の面積が縮小し且つ互いの距離が遠くなる。このため、駆動機能とセンサ機能との双方を高めることは困難である。また、他のユニットの構成として、誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を、駆動機能とセンサ機能とに時分割によって使用することによりそれぞれを併用することが開示されている。しかし、この場合、たとえば、センサ機能を果たす時間には、駆動機能を果たすべく反発力を発揮することが制限される。このため、駆動機能とセンサ機能とが同時に求められる用途や、頻繁な検出が必要な用途には、不向きであるという問題がある。
 本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、駆動機能とセンサ機能とを両立させることが可能な誘電エラストマー駆動センサシステムおよびシートを提供することをその課題とする。
 本発明の第1の側面によって提供される誘電エラストマー駆動センサシステムは、誘電エラストマー層および当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を含む誘電エラストマートランスデューサ部を備え、前記一対の電極層は、互いに区画された駆動領域とセンサ領域とを有し、前記駆動領域に電圧を印加する電源部と、前記センサ領域の静電容量の変化を検出する検出部と、前記電源部および前記検出部を制御する制御部と、を備える。
 本発明の好ましい実施の形態においては、前記駆動領域の面積は、前記センサ領域の面積よりも大きい。
 本発明の好ましい実施の形態においては、前記誘電エラストマー層は、筒形状であり、前記駆動領域と前記センサ領域とは、前記誘電エラストマー層の周方向に配列されている。
 本発明の好ましい実施の形態においては、前記一対の電極層は、複数の前記駆動領域および複数の前記センサ領域を有する。
 本発明の好ましい実施の形態においては、前記複数の駆動領域および前記複数のセンサ領域は、前記誘電エラストマー層の軸方向視において前記周方向に周期性を有する配置である。
 本発明の好ましい実施の形態においては、前記誘電エラストマートランスデューサ部は、各々が前記誘電エラストマー層に取り付けられた固定部および可動部を有する支持体をさらに備えており、前記可動部に外力が伝達され、前記可動部が前記固定部に対して相対動することにより、前記誘電エラストマー層が伸長される。
 本発明の第2の側面によって提供されるシートは、本発明の第1の側面によって提供される誘電エラストマー駆動センサシステムと、前記誘電エラストマートランスデューサ部が取付けられたシート本体と、を備える。
 本発明によれば、駆動機能とセンサ機能とを両立させることができる。
 本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
本発明の第1実施形態に係る誘電エラストマー駆動センサシステムを示す斜視図である。 本発明の第1実施形態に係る誘電エラストマー駆動センサシステムを示す平面図である。 図1のIII-III線に沿う断面図である。 本発明の第1実施形態に係る誘電エラストマー駆動センサシステムを示すシステム構成図である。 本発明の第1実施形態に係るシートを示す斜視図である。 誘電エラストマートランスデューサ部の変形例を示す平面図である。 本発明の第2実施形態に係る誘電エラストマー駆動センサシステムを示す斜視図である。 図7のVIII-VIII線に沿う断面図である。 図7の誘電エラストマートランスデューサ部に外力が作用した状態を示す断面図である。
 以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
 図1~図3は、本発明の第1実施形態に係る誘電エラストマー駆動センサシステムの誘電エラストマートランスデューサ部を示しており、図4は、本発明の第1実施形態に係る誘電エラストマー駆動センサシステムを示している。本実施形態の誘電エラストマー駆動センサシステムA1は、誘電エラストマートランスデューサ部B1、電源部51、検出部61および制御部7を備えている。
 本実施形態の誘電エラストマートランスデューサ部B1は、誘電エラストマー層1、一対の電極層2、一対の支持体3およびばね4を有する。なお、一対の支持体3およびばね4は、誘電エラストマートランスデューサ部B1の誘電エラストマー層1および一対の電極層2に駆動機能とセンサ機能とを発揮させるための構造体の一例である。誘電エラストマートランスデューサ部B1は、駆動機能とセンサ機能とを発揮可能な構成であれば、その具体的構成は何ら限定されない。
 誘電エラストマー層1は、弾性変形が可能であるとともに、絶縁強度が高いことが求められる。このような誘電エラストマー層1の材質は特に限定されないが、好ましい例として、たとえばシリコーンエラストマーやアクリルエラストマーが挙げられる。
 一対の電極層2は、誘電エラストマー層1を挟んでいる。電極層2は、導電性を有するとともに、誘電エラストマー層1の弾性変形に追従しうる弾性変形が可能な材質によって形成される。このような材質としては、弾性変形可能な主材に導電性を付与するフィラーが混入された材質が挙げられる。前記フィラーの好ましい例として、たとえばカーボンナノチューブが挙げられる。
 一対の支持体3は、誘電エラストマー層1の上限端が固定される部材である。本実施形態においては、一対の支持体3は、各々が円形状の板部材からなる。また、下方の支持体3は、上方の支持体3よりも大きい。このため、本実施形態においては、誘電エラストマー層1は、筒形状の一態様である円錐台形状に形成されている。また、一対の支持体3が同じ大きさである場合、誘電エラストマー層1は、筒形状の一態様である円筒形状に形成される。なお、本発明における筒形状とは、軸方向視において環状をなす形状を指すものであり、周方向および軸方向の少なくともいずれかにおいて径方向寸法が一定ではないものを含む概念である。たとえば、周方向において径方向寸法が一定でない楕円筒状は、筒形状に含まれる。また、円錐台形状は、軸方向において径方向寸法が一定でない態様の例である。
 ばね4は、誘電エラストマー層1を伸長させることにより張力を生じさせるための張力発生部材であり、両端が一対の支持体3に取付けられている。図示された状態は、一対の電極層2に電圧が印加されていない状態である。この状態において、ばね4は、圧縮されており、誘電エラストマー層1は、軸方向に伸長されている。これにより、誘電エラストマー層1には、張力が生じている。
 図1~図3に示すように、一対の電極層2は、誘電エラストマー層1の外面と内面とに形成されている。本実施形態においては、一対の電極層2は、2つの駆動領域21と2つのセンサ領域22とを有する。なお、図2においては、理解の便宜上、駆動領域21に相対的に濃いトーンのハッチングを付しており、センサ領域22に相対的に薄いトーンのハッチングを付している。駆動領域21とセンサ領域22とは、たとえばスリット等によって互いに区画されており、互いに絶縁されている。駆動領域21は、電源部51による電圧印加によって、誘電エラストマートランスデューサ部B1をアクチュエータとして機能させるためのものである。センサ領域22は、検出部61による静電容量変化の検出によって誘電エラストマートランスデューサ部B1をセンサとして機能させるためのものである。なお、駆動領域21およびセンサ領域22の個数や形状は何ら限定されない。駆動領域21の個数は、1つでも3つ以上でもよいし、センサ領域22の個数は、1つでも3つ以上でもよい。
 図2および図3に示すように、2つの駆動領域21と2つのセンサ領域22とは、誘電エラストマー層1の周方向に交互に配列されている。本実施形態においては、駆動領域21の面積は、センサ領域22の面積よりも大きい。また、2つの駆動領域21と2つのセンサ領域22とは、軸方向視において周方向に周期性を有する配置とされている。さらに、本実施形態においては、2つの駆動領域21と2つの駆動領域21とは、点対称である。図示された例においては、2つのセンサ領域22が、径方向反対側に位置する軸方向視帯状の領域とされている。また、2つの駆動領域21は、軸方向視において誘電エラストマー層1の半分の大きさに迫る大きさとされている。なお、図4においては、誘電エラストマー駆動センサシステムA1のシステム構成を示す便宜上、2つの駆動領域21および2つのセンサ領域22の配置を模式的に示している。
 電源部51は、誘電エラストマートランスデューサ部B1を駆動させるための電圧を一対の電極層2の2つの駆動領域21に印加するものである。電源部51の具体的構成は特に限定されず、制御部7の指令によって所定の時間に所定の電圧を一対の電極層2に印加しうる構成であればよい。本実施形態においては、電源部51は、2つの駆動領域21の各々に独立して電圧を印加可能な構成とされている。
 検出部61は、誘電エラストマー層1および2つのセンサ領域22を可変コンデンサと見做し、この可変コンデンサの静電容量の変化を検出するものである。静電容量の検出手法は特に限定されず、従来公知の様々な検出手法を採用すればよい。検出部61は、たとえば、従来公知のCR発振回路、LC発振回路、タイマICを用いた発振回路等と、たとえば交流電気信号を発生させるための回路を有する。
 また、検出部61は、発振回路および電源からの入力に対する誘電エラストマートランスデューサ部B1の出力信号に基づき、誘電エラストマートランスデューサ部B1の静電容量Cの変化を検出する検出回路を有する。検出回路の構成は、特に限定されず、誘電エラストマートランスデューサ部B1の出力信号と静電容量Cとの関係を従来公知の種々の手法に基づいて検出可能なものであればよい。検出回路としては、マイコン、L/C発振回路、カウンタ等が例示される。また、検出部61は、誘電エラストマートランスデューサ部B1の出力信号の検出結果に基づいて所定の基準を満たす静電容量変化が生じたかを判定する判定回路をさらに有してもよい。また、検出部61は、出力信号を判定回路に適した信号に処理するための中間回路(図示略)を有していてもよい。この中間回路は、たとえば、増幅回路、フィルタ回路、検波回路、A/D変換IC、コンパレータ等を適宜有する。
 本実施形態においては、検出部61による検出処理は、2つのセンサ領域22の各々について独立して検出可能な構成とされている。
 制御部7は、電源部51および検出部61を制御することにより、誘電エラストマートランスデューサ部B1の駆動機能とセンサ機能とを統合制御するものである。制御部7は、たとえば、CPU、FPGA、DSP、メモリ、インターフェース等を備える。
 図5は、誘電エラストマー駆動センサシステムA1の適用例を示している。図示されたシートC1は、シート本体8および誘電エラストマー駆動センサシステムA1を備える。シートC1は、使用者が着座するためのものであり、自動車用、船舶用、家庭用、ゲーム用、介護用等の様々な用途に用いられる。以下の説明においては、シートC1が、自動車用シートである場合を例に説明する。
 シート本体8は、自動車の内装部品として用いられるものであり、自動車の乗員が座るのに適した座面や背もたれを有する。シートC1においては、誘電エラストマー駆動センサシステムA1の複数の誘電エラストマートランスデューサ部B1が、シート本体8の座面内部に配置されている。複数の誘電エラストマートランスデューサ部B1の配置は、たとえばマトリクス状である。複数の誘電エラストマートランスデューサ部B1の個数に応じて、上述した電源部51、検出部61のいずれかまたはすべてを複数個備えてもよい。
 次に、誘電エラストマー駆動センサシステムA1および誘電エラストマートランスデューサ部B1の作用について説明する。
 本実施形態によれば、1つの誘電エラストマー層1に形成された一対の電極層2が、互いに区画された駆動領域21およびセンサ領域22を有する。制御部7の指令によって電源部51から駆動領域21に電圧を印加すると誘電エラストマートランスデューサ部B1は、軸方向に伸長するように駆動する。この際、同じ誘電エラストマー層1に形成されたセンサ領域22も、同様に伸長される。また、誘電エラストマー層1の厚さが薄くなるため、一対の電極層2の距離が近づく。一方、センサ領域22は、駆動領域21に電圧が印加されても、電気的な影響を何ら受けない。このため、駆動領域21への電圧印加によって駆動機能を発揮させつつ、センサ領域22へと電気処理を行うことが可能である。そして、センサ領域22の静電容量Cの変化を検出部61によって検出させることにより、制御部7は、誘電エラストマートランスデューサ部B1の変形状態を検出することができる。したがって、誘電エラストマー駆動センサシステムA1によれば、駆動機能とセンサ機能とを両立させることができる。
 本実施形態においては、駆動領域21の面積は、センサ領域22の面積よりも大きい。駆動領域21の面積は、誘電エラストマー層1の変形量と相関がある。同じ電圧を印加した場合に、駆動領域21の面積が大きいほど、誘電エラストマー層1の変形量が大きくなり、誘電エラストマートランスデューサ部B1の駆動量を増大させることができる。一方、センサ領域22の面積は、誘電エラストマー層1の変形量を静電容量Cの変化として検出可能であればよい。このため、センサ領域22の面積とセンサ機能の精度との相関は、それほど大きくない。したがって、駆動領域21の面積をセンサ領域22の面積よりも大きくすることにより、センサ機能を維持しつつ、駆動機能を向上させることができる。
 また、本実施形態においては、一対の電極層2は、2つの駆動領域21を有している。このため、双方の駆動領域21に印加すると、誘電エラストマートランスデューサ部B1は、全体が軸方向に伸長し、いずれか一方の駆動領域21のみに電圧を印加すると、誘電エラストマートランスデューサ部B1は片側に傾くように変形する。このように、本実施形態においては、誘電エラストマートランスデューサ部B1の複数の動作モードを設定することができる。また、一対の電極層2が2つのセンサ領域22を有することにより、それぞれのセンサ領域22が設けられている部分における誘電エラストマー層1の変形量をそれぞれ独立して検出することができる。したがって、誘電エラストマートランスデューサ部B1が軸方向に一様に変形している場合や、誘電エラストマートランスデューサ部B1が片側に傾くように変形している場合に、それぞれを異なる変形モードとして検出することができる。
 2つの駆動領域21は、軸方向視において周方向に周期性を有する配置であり、図示された例においては点対称である。これにより、2つの駆動領域21の双方に電圧を印加した場合に、誘電エラストマートランスデューサ部B1をよりバランス良く変形させることができる。
 シートC1においては、各誘電エラストマートランスデューサ部B1のセンサ領域22を利用して、各誘電エラストマートランスデューサ部B1にかかる荷重(体重)を検出することができる。そして、制御部7は、たとえば各々の誘電エラストマートランスデューサ部B1にかかる荷重に応じて、各々の誘電エラストマートランスデューサ部B1の駆動機能によって生じさせる変形量(反発力)を設定する。そして、制御部7は、各々の誘電エラストマートランスデューサ部B1ごとに設定した変形量(反発力)にしたがって、電源部51から各々の駆動領域21に電圧を印加することにより、荷重が相対的に大きい領域を、相対的に小さな反発力に抑え、荷重が相対的に小さい領域において、相対的に大きな反発力で支える、といった制御を行う。これにより、複数の誘電エラストマートランスデューサ部B1にかかる荷重分布をより均一化することが可能である。したがって、個々の乗員の体型等によってシート本体8の座面における荷重分布が異なりうる場合であっても、誘電エラストマー駆動センサシステムA1によれば、より快適に乗員を支持することができる。
 また、誘電エラストマー駆動センサシステムA1においては、駆動機能とセンサ機能とを同時に発揮可能である。たとえばシートC1が搭載された自動車の走行中には、走行に伴う加速度やエンジンの振動等、様々な加速度が乗員に作用し、荷重分布が様々に変化しうる。誘電エラストマー駆動センサシステムA1によれば、この荷重分布の変化をリアルタイムに検出することが可能である。そして、荷重分布の変化に遅滞なく、各々の誘電エラストマートランスデューサ部B1における反発力を変更することができる。したがって、シートC1によれば、自動車の走行時におけるシート本体8への荷重分布の変更に応じて、乗員をより適切に支持したり、乗員に伝わる不快な振動を軽減したりすることができる。さらに、走行状況等に応じて誘電エラストマートランスデューサ部B1の反発力を調節制御することにより、逆位相の振動を付与することによる振動軽減、カーブ通過時の遠心力に応じた支持力の発生、加減速時の姿勢変化の抑制、能動的に振動を発生させることによるマッサージ効果、等の様々な用途に誘電エラストマー駆動センサシステムA1を用いることができる。
 図6~図9は、本発明の変形例および他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。
 図6は、誘電エラストマートランスデューサ部B1の変形例を示している。本変形例においては、電極層2は、3つの駆動領域21と3つのセンサ領域22とを有している。そして、周方向において、1つの駆動領域21と1つのセンサ領域22とが組みになり、3組みの駆動領域21およびセンサ領域22が、周期性を有する配置とされている。
 このような変形例によっても、3つの駆動領域21の双方に電圧を印加した場合に、誘電エラストマートランスデューサ部B1をよりバランス良く変形させることができる。すなわち、駆動領域21およびセンサ領域22の配置が点対称ではない場合であっても、周方向に周期性を有する配置であれば、バランスの良い変形に寄与する。
 図7~図9は、本発明の第2実施形態にかかる誘電エラストマー駆動センサシステムを示している。本実施形態の誘電エラストマー駆動センサシステムA2は、誘電エラストマートランスデューサ部B2を備えている。誘電エラストマートランスデューサ部B2は、誘電エラストマー層1、電極層2および支持体3を備えている。一方、誘電エラストマートランスデューサ部B2は、上述した実施形態において誘電エラストマー層1を伸長させることにより張力を発生させていた張力発生部材としてのばね4等を備えていない。
 本実施形態の支持体3は、固定部31、可動部32および外力伝達部33を有する。固定部31は、乗員の着座等によって外力が作用した場合に固定状態を維持する部位であり、たとえば、シート本体8に取り付けられる。可動部32は、外力が作用した場合に、固定部31に対して相対動する部位である。本実施形態においては、軸方向視円環形状とされた誘電エラストマー層1の外周部分が固定部31に取り付けられており、内周部分が可動部32に取り付けられている。外力伝達部33は、可動部32に取り付けられており、着座等による外力を可動部32に伝達する部位である。図示された例においては、外力伝達部33は、棒状部分と当該棒状部分の上端に設けられた円板状部分とを有する。
 図7および図8は、いまだ乗員が着座等をしていない初期状態を示している。この状態においては、誘電エラストマー層1には、明瞭な伸長が与えられておらず、有意な張力は生じていない。図9は、乗員の着座等により、乗員の体重が外力伝達部33に作用し、図中上方から下方に向かう外力が外力伝達部33に作用した状態を示している。この外力は、外力伝達部33を介して可動部32に伝達される。このため、可動部32は、固定部31に対して図中下方に移動している。この可動部32の相対動によって、誘電エラストマー層1が伸長され、誘電エラストマー層1は、円錐台形状を呈している。
 図9に示す状態において、一対の電極層2の駆動領域21に電圧が印加されていない場合、誘電エラストマートランスデューサ部B2の誘電エラストマー層1が生じる弾性力(反発力)が最大となる。一対の電極層2の駆動領域21に電圧を印加するほど、誘電エラストマー層1の弾性力(反発力)が弱められる。制御部7は、一対の電極層2のセンサ領域22の静電容量変化を検出部61が検出した結果に従い、上述した一対の電極層2の駆動領域21への電圧印加と反発力との相関を考慮して、電源部51の制御を行う。
 本実施形態によっても、駆動機能とセンサ機能とを両立させることができる。また、着座等に起因する外力を利用して、誘電エラストマー層1を伸長させる構成であるため、誘電エラストマー駆動センサシステムA1におけるばね4等を備える必要がない。これは、誘電エラストマートランスデューサ部B2の軽量化に好ましい。
 本発明に係る誘電エラストマー駆動センサシステムおよびシートは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る誘電エラストマー駆動センサシステムおよびシートの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
〔付記1〕
 誘電エラストマー層および当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を含む誘電エラストマートランスデューサ部を備え、
 前記一対の電極層は、互いに区画された駆動領域とセンサ領域とを有し、
 前記駆動領域に電圧を印加する電源部と、
 前記センサ領域の静電容量の変化を検出する検出部と、
 前記電源部および前記検出部を制御する制御部と、
を備える、誘電エラストマー駆動センサシステム。
〔付記2〕
 前記駆動領域の面積は、前記センサ領域の面積よりも大きい、付記1に記載の誘電エラストマー駆動センサシステム。
〔付記3〕
 前記誘電エラストマー層は、筒形状であり、
 前記駆動領域と前記センサ領域とは、前記誘電エラストマー層の周方向に配列されている、付記1または2に記載の誘電エラストマー駆動センサシステム。
〔付記4〕
 前記一対の電極層は、複数の前記駆動領域および複数の前記センサ領域を有する、付記3に記載の誘電エラストマー駆動センサシステム。
〔付記5〕
 前記複数の駆動領域および前記複数のセンサ領域は、前記誘電エラストマー層の軸方向視において前記周方向に周期性を有する配置である、付記4に記載の誘電エラストマー駆動センサシステム。
〔付記6〕
 前記誘電エラストマートランスデューサ部は、各々が前記誘電エラストマー層に取り付けられた固定部および可動部を有する支持体をさらに備えており、
 前記可動部に外力が伝達され、前記可動部が前記固定部に対して相対動することにより、前記誘電エラストマー層が伸長される、付記1ないし5のいずれかに記載の誘電エラストマー駆動センサシステム。
〔付記7〕
 付記1ないし6のいずれかに記載の誘電エラストマー駆動センサシステムと、
 前記誘電エラストマートランスデューサ部が取付けられたシート本体と、
を備える、シート。

Claims (7)

  1.  誘電エラストマー層および当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を含む誘電エラストマートランスデューサ部を備え、
     前記一対の電極層は、互いに区画された駆動領域とセンサ領域とを有し、
     前記駆動領域に電圧を印加する電源部と、
     前記センサ領域の静電容量の変化を検出する検出部と、
     前記電源部および前記検出部を制御する制御部と、
    を備える、誘電エラストマー駆動センサシステム。
  2.  前記駆動領域の面積は、前記センサ領域の面積よりも大きい、請求項1に記載の誘電エラストマー駆動センサシステム。
  3.  前記誘電エラストマー層は、筒形状であり、
     前記駆動領域と前記センサ領域とは、前記誘電エラストマー層の周方向に配列されている、請求項1または2に記載の誘電エラストマー駆動センサシステム。
  4.  前記一対の電極層は、複数の前記駆動領域および複数の前記センサ領域を有する、請求項3に記載の誘電エラストマー駆動センサシステム。
  5.  前記複数の駆動領域および前記複数のセンサ領域は、前記誘電エラストマー層の軸方向視において前記周方向に周期性を有する配置である、請求項4に記載の誘電エラストマー駆動センサシステム。
  6.  前記誘電エラストマートランスデューサ部は、各々が前記誘電エラストマー層に取り付けられた固定部および可動部を有する支持体をさらに備えており、
     前記可動部に外力が伝達され、前記可動部が前記固定部に対して相対動することにより、前記誘電エラストマー層が伸長される、請求項1ないし5のいずれかに記載の誘電エラストマー駆動センサシステム。
  7.  請求項1ないし6のいずれかに記載の誘電エラストマー駆動センサシステムと、
     前記誘電エラストマートランスデューサ部が取付けられたシート本体と、
    を備える、シート。
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