JP5281322B2 - 電気的伸縮機構及びアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ等の製造に用いられる電気的伸縮機構及びこの電気的伸縮機構を用いて製造されたアクチュエータに関するものである。

アクチュエータは、入力されたエネルギーを物理運動量に変換するものであり、従来より様々なものが開発され、利用されている。例えば、特許文献１に記載のアクチュエータは、絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなる伸縮層が厚み方向に３層以上積層された伸縮部と、各伸縮層の厚み方向の両面にそれぞれ設けられ伸縮層の伸縮を許容するように変形可能な複数の電極と、各電極に接続する電圧極性を選択する電源制御部とを備えて形成されている。そしてこのように形成されたアクチュエータは、電圧を印加していない元の位置に対して伸縮層を伸長させることができると共に、元の位置に対して伸縮層を収縮させることができるものである。
特許第３８０９８０２号公報

しかし、上記のような従来のアクチュエータにあっては、伸縮層がアクリルエラストマ、ポリエチレン、シリコンなどを用いて形成されているため、伸縮性には限界があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、従来よりも伸縮性を高めることができる電気的伸縮機構及びアクチュエータを提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に係る電気的伸縮機構は、伸縮性を有する絶縁層１の両面に電極２を設けて形成される電気的伸縮機構Ａであって、前記絶縁層１が多孔体３で形成されていると共に、前記電極２の中央部が、前記絶縁層１を介して対向する他の電極２の側に向かって盛り上がっていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記多孔体３の孔内に誘電体が充填されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１において、前記多孔体３の孔内に電解液が充填されていると共に、少なくとも一方の電極２と前記絶縁層１との間に絶縁皮膜８が設けられていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１において、前記多孔体３の孔内に電解液が充填され、この多孔体３が袋体１４に封入されていると共に、この袋体１４を介して前記電極２が前記絶縁層１の両面に設けられていることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、複数の絶縁層１が前記電極２を介して積層されていることを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記電極２間の前記絶縁層１の一部が欠けて空隙部９が形成されていることを特徴とするものである。

本発明の請求項７に係るアクチュエータは、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電気的伸縮機構Ａと、前記電極２間に電圧を印加する電源制御部６とを備えて形成されていることを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係る電気的伸縮機構によれば、絶縁層が多孔体で形成されていることによって、従来よりも伸縮性を高めることができるものである。
また請求項１に係る発明によれば、対向する電極間の隙間が中央部では狭く周辺部では広くなることによって、電極間に電圧を印加して絶縁層を収縮させる場合に、誘電体を中央部から周辺部に向けてスムーズに排出させることができるものである。

請求項２に係る発明によれば、様々な誘電体を用いることによって、絶縁層の誘電率を調整することができるものである。

請求項３に係る発明によれば、通常の誘電体を用いる場合に比べて電解液を用いる場合の方がより大きな出力を得ることができるものである。

請求項４に係る発明によれば、通常の誘電体を用いる場合に比べて電解液を用いる場合の方がより大きな出力を得ることができるものである。

請求項５に係る発明によれば、複数の絶縁層が積層されていることによって、従来よりもさらに伸縮性を高めることができるものである。

請求項６に係る発明によれば、絶縁層の収縮時において空隙部は抵抗とならないことによって、電極間の絶縁層が全く欠けていない場合に比べて、絶縁層をより大きく収縮させることができるものである。

本発明の請求項７に係るアクチュエータによれば、絶縁層が多孔体で形成されていることによって、従来よりも伸縮性を高めることができ、例えばロボット技術の分野において人工筋肉として好適に利用することができるものである。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

（実施形態１）
図１（ａ）は電気的伸縮機構Ａの一例を示すものであり、この電気的伸縮機構Ａは、伸縮性を有する絶縁層１の両面に電極２を設けて形成されている。

そして特に絶縁層１は多孔体３で形成されている。多孔体３としては、例えば、ＰＶＡスポンジやウレタンスポンジのように孔が連続して設けられた連続多孔体を用いたり、孔が独立して設けられたもの等を用いたりすることができる。多孔体３の空隙率は、特に限定されるものではないが、３０〜９０％であることが好ましい。このように、図１（ａ）に示すような電気的伸縮機構Ａにあっては、絶縁層１が多孔体３で形成されていることによって、従来よりも伸縮性を高めることができるものである。

一方、電極２は、絶縁層１の表面にボンディングシートを介して銅箔等の金属箔を接着して設けたり、また金属メッキやスパッタリング等によって設けたりすることができる。さらに電極２は、絶縁層１の伸縮に追随して変形可能となるように形成してもよい。具体的には、ベース材料に導電性の添加材を添加して導電性を付与したものを絶縁層１の表面に塗布することによって電極２を設けることができる。ベース材料としては、絶縁層１との密着性が高いものであれば特に限定されるものではないが、例えば、テフロン（登録商標）、シリコーンゴム、アクリルゴム、フェノキシ樹脂等を用いることができる。また導電性の添加材としては、金・銀・銅等の金属粉やカーボンブラック等を用いることができる。

また多孔体３の孔内には誘電体が充填されていてもよい。この誘電体としては、例えば、フッ素系不活性液体のような液状の誘電体や、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンのような気体状の誘電体を用いることができる。このときチタン酸バリウムのような高誘電率の微細粉末材料を併用してもよい。しかし、このような誘電体では多孔体３から漏洩してしまうので、液状や気体状の誘電体を染み込ませた多孔体３は袋体１４に封入されている。この袋体１４としては、柔軟性があるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ゴムやプラスチック等で形成されたものを用いることができる。このように、様々な誘電体を多孔体３の孔内に充填させることによって、絶縁層１の誘電率を調整することができるものである。なお、図３に示すように、電極２は袋体１４を介して絶縁層１の両面に設けられていてもよい。

ところで、液状や気体状の誘電体を多孔体３の孔内に充填する場合には、図２に示すように、あらかじめ電極２の中央部を、絶縁層１を介して対向する他の電極２の側に向けて相互に盛り上げて形成しておくのが好ましい。すなわち、図２（ａ）は絶縁層１を介して対向する電極２をいずれも山状に盛り上げて形成したものであり、また図２（ｂ）は絶縁層１を介して対向する電極２をいずれも階段状に盛り上げて形成したものである。このように、電極２の中央部を盛り上げて形成しておけば、対向する電極２間の隙間が中央部では狭く周辺部では広くなることによって、電極２間に電圧を印加して絶縁層１を収縮させる場合に、誘電体を中央部から周辺部に向けてスムーズに排出させることができるものである。

図１（ｂ）はアクチュエータＢの一例を示すものであり、このアクチュエータＢは、上記の電気的伸縮機構Ａと、電極２間に電圧を印加する電源制御部６とを備えて形成されている。電源制御部６は、直流電源１１及びスイッチ１２を備えて形成されており、リード線１３によって電極２に接続されている。そして、スイッチ１２がオンである場合には、電極２間に電圧が印加され、絶縁層１に誘電分極が生じることによって絶縁層１の内部にクーロン力が生じていわゆる電歪により絶縁層１に圧縮力が生じる。逆にスイッチ１２がオフである場合には、このような圧縮力は生じない。よって、スイッチ１２をオン・オフ制御することによってアクチュエータＢを絶縁層１の厚み方向に任意に伸縮させることができるものである。

（実施形態２）
図４（ａ）は電気的伸縮機構Ａの他の一例を示すものである。この電気的伸縮機構Ａも、伸縮性を有する絶縁層１の両面に電極２を設けて形成されているが、本実施形態では複数の絶縁層１が電極２を介して積層されている。

このように、図４（ａ）に示すような電気的伸縮機構Ａにあっては、複数の絶縁層１が積層されていることによって、従来よりもさらに伸縮性を高めることができるものである。

また各絶縁層１を形成する多孔体３の材質を選択したり、その空隙率をあらかじめ変化させておいたり、多孔体３に充填される誘電体の材質を選択したりすることによって、絶縁層１の誘電率を調整し、伸縮の程度を細かく調整することができるものである。

図４（ｂ）はアクチュエータＢの他の一例を示すものであり、このアクチュエータＢは、上記の電気的伸縮機構Ａと、電極２間に電圧を印加する電源制御部６とを備えて形成されている。電源制御部６は、直流電源１１及びスイッチ１２を備えて形成されており、絶縁層１を介して対向する電極２同士が相互に異極となるようにリード線１３によって電極２に接続されている。そして、スイッチ１２がオンである場合には、電極２間に電圧が印加され、絶縁層１に誘電分極が生じることによって絶縁層１の内部にクーロン力が生じていわゆる電歪により絶縁層１に圧縮力が生じる。逆にスイッチ１２がオフである場合には、このような圧縮力は生じない。よって、スイッチ１２をオン・オフ制御することによってアクチュエータＢを絶縁層１の厚み方向に任意に伸縮させることができるものである。

（実施形態３）
図５（ａ）は電気的伸縮機構Ａの他の一例を示すものである。この電気的伸縮機構Ａも、実施形態１と同様に、伸縮性を有する絶縁層１の両面に電極２を設けて形成されているが、本実施形態では多孔体３の孔内に電解液が充填されていると共に、少なくとも一方の電極２と絶縁層１との間に絶縁皮膜８が設けられている。絶縁層１の厚み方向に発生する力は絶縁層１の誘電率に比例するが、通常の誘電体の誘電率は３以下程度であるのに対して電解液の誘電率は２０〜３０程度であるので、通常の誘電体を用いる場合に比べて電解液を用いる場合の方がより大きな出力を得ることができるものである。

電解液としては、酸と塩基からなるイオンを生成する電解質塩と、これが溶解する溶媒とを混合して調製されたものを用いることができる。電解質塩の酸成分としては、ホウ酸やカルボン酸等の弱酸を用いることができ、また塩基成分としては、アンモニアやアミン等の有機塩基を用いることができ、また溶媒としては、エチレングリコールやγ−ブチロラクトン等を用いることができる。具体的には、電解液としては、三洋化成工業（株）製「サンエレック」等を用いることができる。

電解液は電気を通す液体であるので、ショート（短絡）を防止するために、少なくとも一方の電極２と絶縁層１との間に絶縁皮膜８が設けられている。図５（ａ）に示すものでは絶縁皮膜８は一方の電極２と絶縁層１との間に設けられているが、図６（ａ）のように両方の電極２と絶縁層１との間にそれぞれ絶縁皮膜８を設けるようにしてもよい。そしてこの絶縁皮膜８は、絶縁性を有する樹脂やボンディングシートで電極２の表面を被覆して設けられ、この電極２と電解液とが接触しないようにしてある。特に電極２としてアルミニウムを用いる場合には、この電極２の表面を酸化して形成される酸化皮膜（酸化アルミ：Ａｌ_２Ｏ_３）を絶縁皮膜８として用いることができる。

ところで、液状や気体状の誘電体を用いる場合と同様に、電解液は多孔体３から漏洩してしまうので、電解液を染み込ませた多孔体３は図５（ａ）のように袋体１４に封入されている。このとき、図５（ａ）に示すものでは電極２も袋体１４に封入されているが、図３のように電極２は袋体１４を介して絶縁層１の両面に設けられていてもよい。この場合、袋体１４が非導電性を有していれば、絶縁皮膜８を設ける必要はない。そしてこの袋体１４としては、柔軟性があるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ゴムやプラスチック等で形成されたものを用いることができる。また、このような非導電性のもののほか、袋体１４としては、金属のような導電性のものを用いることができる。特に金属製の袋体１４を用いる場合には、図６（ｂ）のようにこの袋体１４の側面を蛇腹状に形成して、電気的伸縮機構Ａの伸縮性を確保するようにしてある。このとき、少なくとも一方の電極２と袋体１４との間に絶縁皮膜８が設けられて、絶縁性が確保されていればよいが、図６（ｂ）のように両方の電極２と袋体１４との間にそれぞれ絶縁皮膜８が設けられて、絶縁性が確保されていてもよい。

図５（ｂ）はアクチュエータＢの他の一例を示すものであり、このアクチュエータＢは、上記の電気的伸縮機構Ａと、電極２間に電圧を印加する電源制御部６とを備えて形成されている。電源制御部６は、直流電源１１及びスイッチ１２を備えて形成されており、リード線１３によって電極２に接続されている。そして、スイッチ１２がオンである場合には、電極２間に電圧が印加され、絶縁層１に誘電分極が生じることによって絶縁層１の内部にクーロン力が生じていわゆる電歪により絶縁層１に圧縮力が生じる。逆にスイッチ１２がオフである場合には、このような圧縮力は生じない。よって、スイッチ１２をオン・オフ制御することによってアクチュエータＢを絶縁層１の厚み方向に任意に伸縮させることができるものである。

（実施形態４）
図７は電気的伸縮機構Ａの他の一例を示すものである。この電気的伸縮機構Ａも、伸縮性を有する絶縁層１の両面に電極２を設けて形成されているが、本実施形態では電極２間の絶縁層１の一部が欠けて空隙部９が形成されている。この空隙部９は多孔体３の個々の孔よりも大きく形成されている。

すなわち、図７（ａ）に示すものは、絶縁層１の中央部から片側端部にかけて空隙部９が形成されている。そして絶縁層１の収縮時において電極２同士が接触して短絡しないように、空隙部９を介して対向する電極２のうち少なくとも一方には絶縁層１を層状に残存させて短絡防止層１０が形成されている。

また、図７（ｂ）に示すものは、絶縁層１の中央部に断面視略楕円状に空隙部９が形成されている。

また、図７（ｃ）（ｄ）に示すものは、複数の絶縁層１が積層されている場合であり、各絶縁層１の中央部から片側端部にかけて空隙部９が形成されている。そして電極２を介して隣り合う絶縁層１の空隙部９は、積層方向において重ならないように位置している。このように、蛇腹状となるように空隙部９を互い違いに配置することによって、絶縁層１が複数積層されている場合であっても、伸縮性をさらに高めることができるものである。なお、図７（ｃ）（ｄ）に示すものは、絶縁層１が２層及び３層積層されている場合であるが、絶縁層１が４層以上積層されている場合も同様である。

このように、図７に示すような電気的伸縮機構Ａにあっては、絶縁層１の収縮時において空隙部９は抵抗とならないことによって、電極２間の絶縁層１が全く欠けていない場合に比べて、絶縁層１をより大きく収縮させることができるものである。

なお、図示省略しているが、図７に示す電気的伸縮機構Ａと、電極２間に電圧を印加する電源制御部６とを備えてアクチュエータＢを形成することができる。

このように、実施形態１〜４のいずれのアクチュエータＢであっても、絶縁層１が多孔体３で形成されていることによって、従来よりも伸縮性を高めることができ、例えばロボット技術の分野において人工筋肉として好適に利用することができるものである。

本発明の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は電気的伸縮機構の断面図、（ｂ）はアクチュエータの断面図である。 本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、（ａ）（ｂ）は電気的伸縮機構の断面図である。 本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、電気的伸縮機構の断面図である。 本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、（ａ）は電気的伸縮機構の断面図、（ｂ）はアクチュエータの断面図である。 本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、（ａ）は電気的伸縮機構の断面図、（ｂ）はアクチュエータの断面図である。 本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、（ａ）（ｂ）は電気的伸縮機構の断面図である。 本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、（ａ）〜（ｄ）は電気的伸縮機構の断面図である。

符号の説明

Ａ 電気的伸縮機構
Ｂ アクチュエータ
１ 絶縁層
２ 電極
３ 多孔体
６ 電源制御部
８ 絶縁皮膜
９ 空隙部
１４ 袋体

Claims (7)

1. 伸縮性を有する絶縁層の両面に電極を設けて形成される電気的伸縮機構であって、前記絶縁層が多孔体で形成されていると共に、前記電極の中央部が、前記絶縁層を介して対向する他の電極の側に向かって盛り上がっていることを特徴とする電気的伸縮機構。
2. 前記多孔体の孔内に誘電体が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の電気的伸縮機構。
3. 前記多孔体の孔内に電解液が充填されていると共に、少なくとも一方の電極と前記絶縁層との間に絶縁皮膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電気的伸縮機構。
4. 前記多孔体の孔内に電解液が充填され、この多孔体が袋体に封入されていると共に、この袋体を介して前記電極が前記絶縁層の両面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電気的伸縮機構。
5. 複数の絶縁層が前記電極を介して積層されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気的伸縮機構。
6. 前記電極間の前記絶縁層の一部が欠けて空隙部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気的伸縮機構。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電気的伸縮機構と、前記電極間に電圧を印加する電源制御部とを備えて形成されていることを特徴とするアクチュエータ。

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