(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と第２の部材を互いに接離する方向に押動するゲルアクチュエータと、該ゲルアクチュエータを駆動する電源とを備えるゲルアクチュエータを用いた連繋機構であって、
前記ゲルアクチュエータは、
導電材からなるメッシュ体と、該メッシュ体を挟んで対向配置される、誘電性高分子材料からなる第１のゲル及び第２のゲルと、該第１のゲルと第２のゲルのそれぞれの外面に設けられた電極とを備え、
前記電源により前記メッシュ体と前記電極との間に電圧を印加した際には、前記メッシュ体のメッシュ孔に前記第１のゲルと第２のゲルの一部が入り込むことにより厚さ方向に収縮し、電圧の印加を解除した際には、前記第１のゲルと第２のゲルとが元の厚さに復帰する作用をなし、
前記第１の部材と、軸線の回りで回転駆動される第２の部材との間においてブレーキ作用を生じさせる機構として、
前記ゲルアクチュエータを、前記第１の部材を押動することにより、第１の部材と第２の部材を互いに接離させる配置に設け、
前記第１の部材を、該第１の部材と第２の部材とが接離する方向には移動自在に、前記第２の部材の回転方向には回り止めして支持し、
前記ゲルアクチュエータを、前記メッシュ体と電極との間に電圧を印加した際に、厚さ方向に収縮して前記第１の部材と第２の部材とが離間し、電圧の印加を解除した際に、元の厚さに復帰し前記第１の部材と第２の部材とが接触して前記第１の部材と第２の部材との間においてブレーキ作用を生じさせる配置とすることを特徴とするゲルアクチュエータを用いた連繋機構。
【請求項２】
前記メッシュ体と、前記第１のゲル及び第２のゲルと、前記電極とを備える基本単位となるゲルアクチュエータを、隣接層間において前記電極を共用する配置として、厚さ方向に複数個積み重ねたゲルアクチュエータを使用することを特徴とする請求項１記載のゲルアクチュエータを用いた連繋機構。
【請求項３】
前記第１のゲル及び第２のゲルとして、ポリ塩化ビニル（PVC）からなる誘電性高分子材料に、可塑剤としてアジピン酸ジブチル（DBA）を加えたものを使用することを特徴とする請求項１または２記載のゲルアクチュエータを用いた連繋機構。
【請求項４】
前記第２の部材が、電動の駆動源に連繋され、前記ゲルアクチュエータを駆動する電源と、前記駆動源の電源とが連動してON-OFF制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のゲルアクチュエータを用いた連繋機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、ゲルアクチュエータを用いた連繋機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、福祉機器や介護機器として、人の動作を補助することを目的とする製品が提供されている。これらの製品では、動作を補助するための駆動源としての電気モータや、特定の移動位置において機器の動作を停止させるブレーキ機構といった制御機構が用いられている。これらの制御機構は、電気モータ等によって駆動されている部材に他の部材を連繋して、機械的な作用を及ぼす構成となっている。
たとえば、ブレーキ機構は電気モータ等によって駆動される部材に他の部材を接離させて部材の動作を停止させる作用をなすものであり、クラッチ機構は部材に他の部材を接離させることにより、部材と他の部材との機械的な連結を制御する作用をなす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２７３２０４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】日本ロボット学会誌Vol.27,No.7,pp.718〜724,2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電気モータに連繋して用いられるブレーキ機構には、従来、電磁式のブレーキが用いられることが多い。しかしながら、電磁式のブレーキは電磁石を使うために重くなるという問題があり、応答が速いためにブレーキ作用時に騒音が発生するという問題があった。また、クラッチ機構も同様に、電磁力を利用したものや油圧を利用するものがあるが、装置が複雑になったり、装置の小型化が困難であるという問題があった。
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、小型化が可能で装置に容易に組み込むことができ、取り扱いが容易なゲルアクチュエータを用いた連繋機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るゲルアクチュエータを用いた連繋機構は、第１の部材と第２の部材を互いに接離する方向に押動するゲルアクチュエータと、該ゲルアクチュエータを駆動する電源とを備えるゲルアクチュエータを用いた連繋機構であって、前記ゲルアクチュエータは、導電材からなるメッシュ体と、該メッシュ体を挟んで対向配置される、誘電性高分子材料からなる第１のゲル及び第２のゲルと、該第１のゲルと第２のゲルのそれぞれの外面に設けられた電極とを備え、前記電源により前記メッシュ体と前記電極との間に電圧を印加した際には、前記メッシュ体のメッシュ孔に前記第１のゲルと第２のゲルの一部が入り込むことにより厚さ方向に収縮し、電圧の印加を解除した際には、前記第１のゲルと第２のゲルとが元の厚さに復帰する作用をなし、前記第１の部材と、軸線の回りで回転駆動される第２の部材との間においてブレーキ作用を生じさせる機構として、前記ゲルアクチュエータを、前記第１の部材を押動することにより、第１の部材と第２の部材を互いに接離させる配置に設け、前記第１の部材を、該第１の部材と第２の部材とが接離する方向には移動自在に、前記第２の部材の回転方向には回り止めして支持し、前記ゲルアクチュエータを、前記メッシュ体と電極との間に電圧を印加した際に、厚さ方向に収縮して前記第１の部材と第２の部材とが離間し、電圧の印加を解除した際に、元の厚さに復帰し前記第１の部材と第２の部材とが接触して前記第１の部材と第２の部材との間においてブレーキ作用を生じさせる配置とすることを特徴とする。
【０００７】
また、ゲルアクチュエータとして、前記メッシュ体と、前記第１のゲル及び第２のゲルと、前記電極とを備える基本単位となるゲルアクチュエータを、隣接層間において前記電極を共用する配置として、厚さ方向に複数個積み重ねたゲルアクチュエータを使用する場合は、基本単位の単一のゲルアクチュエータを使用する場合とくらべて変位量を大きく取ることができる点で有効である。
また、ゲルアクチュエータの前記第１のゲル及び第２のゲルとして、ポリ塩化ビニル（PVC）からなる誘電性高分子材料に、可塑剤としてアジピン酸ジブチル（DBA）を加えたものがとくに有効に用いられる。
【０００８】
ゲルアクチュエータを用いた連繋機構が第１の部材と第２の部材との間においてブレーキ作用を奏する機構を備える場合に、前記第２の部材が、電動の駆動源に連繋され、前記ゲルアクチュエータを駆動する電源と、前記駆動源の電源とが連動してON-OFF制御される構成とすることが有効である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るゲルアクチュエータを用いた連繋機構は、第１の部材と第２の部材の少なくとも一方を押動する機構にゲルアクチュエータを使用し、ゲルアクチュエータ自体が簡素に構成されることから、小型化、装置への組み込みが容易で、取り扱いが容易な連繋機構として提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ゲルアクチュエータの構成と作用を示す説明図である。
【図２】積層型のゲルアクチュエータの構成と作用を示す説明図である。
【図３】ゲルアクチュエータに電圧を印加したときの変位量の測定結果を示すグラフである。
【図４】ゲルアクチュエータに用いるゲルの組成による応答特性を測定した結果を示すグラフである。
【図５】ゲルアクチュエータによる回復応力を測定するための測定装置の構成を示す説明図である。
【図６】ギャップを変えたときの回復応力を測定した結果を示すグラフである。
【図７】ゲルアクチュエータを用いたブレーキ機構の構成例を示す説明図である。
【図８】ゲルアクチュエータを用いたブレーキ機構の特性を測定するための測定装置の構成を示す説明図である。
【図９】モータに印加する電圧のプロフィールを示すグラフである。
【図１０】モータに電圧を印加したときのモータの回転角の測定結果を示すグラフである。
【図１１】モータに電圧を印加したときのブレーキトルクの測定結果を示すグラフである。
【図１２】ギャップにより制動トルクがどのようになるかを示すグラフである。
【図１３】モータへの通電をOFFにした後に、ブレーキを作用させた場合とブレーキを作用させない場合でのモータの回転量を示すグラフである。
【図１４】モータへの通電をOFFにした後におけるモータに作用するトルクを示すグラフである。
【図１５】モータへの通電をOFFにした後におけるモータの回転角度を示すグラフである。
【図１６】モータに一定時間正弦波電圧を印加した後のブレーキの作用を測定した結果を示すグラフである。
【図１７】モータに一定時間正弦波電圧を印加した後、ブレーキを作用させたときにモータが停止するまでの時間を測定した結果を示すグラフである。
【図１８】モータに一定時間正弦波電圧を印加した後、ブレーキを作用させたときにモータが停止するまでの回転角を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（ゲルアクチュエータの構成とその作用）
図１は、本発明に係るゲルアクチュエータを用いた連繋機構に用いるゲルアクチュエータの構成とその作用を示す。
ゲルアクチュエータ１０は、導電材からなるメッシュ体１２と、メッシュ体１２を挟む位置に対向配置された第１のゲル１４ａ及び第２のゲル１４ｂと、第１のゲル１４ａと第２のゲル１４ｂのそれぞれの外面に接して設けられた第１の電極１６ａと第２の電極１６ｂとからなる。
【００１３】
メッシュ体１２は導電材を用いて、網状に形成したものである。本実施形態においては、線径０．２ｍｍ、メッシュ孔１．１×１．１ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのステンレスメッシュを使用した。また、第１の電極１６ａと第２の電極１６ｂには厚さ０．０１ｍｍのステンレス箔を使用した。第１の電極１６ａと第２の電極１６ｂは、第１のゲル１４ａと第２のゲル１４ｂの外面の全面を覆うように設けられる。
図１に示すゲルアクチュエータ１０は、厚さ方向に膨縮作用をなす、基本単位となるゲルアクチュエータである。
【００１４】
第１のゲル１４ａと第２のゲル１４ｂには、電気刺激によって屈曲変形やクリープ変形をなす、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン６、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル等の誘電性高分子材料が用いられる。
本実施形態においては、第１のゲル１４ａ及び第２のゲル１４ｂとしてPVCを使用した。具体的には、PVCに、可塑剤としてアジピン酸ジブチル（DBA)を加えたものを使用した。この混合物を、テトラヒドロフラン（THF)を溶媒として完全に溶解した後、溶液をシャーレにキャストし、シャーレを水平にして数日間放置し、THFが完全に蒸発したらゲルを取り出し、適当な大きさに切り出して使用した。ゲルの膜厚は０．６〜１．０ｍｍである。
【００１５】
PVCゲルを作製する際には、フタル酸ジブチル（DBP)等のアジピン酸ジブチル（DBA)以外の可塑剤を用いることもできる。本実施形態において、可塑剤としてアジピン酸ジブチル（DBA)を使用しているのは、陽極となるメッシュ体との粘着性が、可塑剤としてDBPを用いたものよりも低く、ゲルアクチュエータに印加する電圧を除去した際の応答性がよくなるからである。
【００１６】
ゲルアクチュエータ１０は、図１に示すように、第１及び第２の電極１６ａ、１６ｂとメッシュ体１２との間に電圧を印加しない状態（discharging）においては、第１のゲル１４ａと第２のゲル１４ｂの対向面が離間し、第１及び第２の電極１６ａ、１６ｂとメッシュ体１２との間に電圧を印加すると（charging）、第１のゲル１４ａと第２のゲル１４ｂの一部がメッシュ体１２のメッシュ孔１２ａに入り込む。このように、ゲルアクチュエータ１０は、第１及び第２の電極１６ａ、１６ｂとメッシュ体１２との間に電圧を印加する操作をON-0FFすることにより、収縮状態と元の厚さに復帰する状態とに切り替えられる。すなわち、ゲルアクチュエータ１０は電圧（メッシュ体が陽極、電極が陰極）の印加操作によって厚さ方向に変位するアクチュエータとして作用する。
【００１７】
図２は、基本単位のゲルアクチュエータ１０を、厚さ方向に複数個（図示例は５個）重ね合わせて作製した積層型のゲルアクチュエータ２０の構成とその作用を示す。積層型のゲルアクチュエータ２０を形成する際には、上層と下層の隣接層のゲルアクチュエータ１０について、第１の電極１６ａと第２の電極１６ｂを共通に使用してゲルアクチュエータ１０を積み重ねるようにする。
積層型のゲルアクチュエータ２０の最下面と最上面には、電気的絶縁を兼ねて、第１、第２のゲル１４ａ、１４ｂと同材からなるゲル１４を被着する。
【００１８】
積層型のゲルアクチュエータ２０は、各々のメッシュ体１２が陽極に接続され、第１の電極１６ａと第２の電極１６ｂが各々陰極に接続される。これにより、基本単位となるゲルアクチュエータ１０ごとに電圧が印加される。
図２の左側の図は、メッシュ体１２と第１、第２の電極１６ａ、１６ｂとの間に電圧を印加していない状態（discharging）、右側の図は、メッシュ体１２と第１、第２の電極１６ａ、１６ｂとの間に電圧を印加した状態（charging）である。ゲルアクチュエータ２０は、電圧を印加させることによって収縮し、電圧を除去することによって元の状態に復帰して、厚さ方向に伸縮する（膨縮する）作用をなす。図示例のように、基本単位のゲルアクチュエータ１０を複数個積層することにより、単一のゲルアクチュエータ１０を使用する場合に比べて、ゲルアクチュエータ全体の変位量を大きくすることができる。
【００１９】
図２に示すゲルアクチュエータ２０は、平面形状が円形で、中央部に厚さ方向に連通する透孔２０ａを形成したものである。第１のゲル１４ａと第２のゲル１４ｂはシート状に形成したゲルをカットして作製するから、ゲルアクチュエータの用途に応じて、適宜形状及び大きさに形成することができる。メッシュ体１２及び第１、第２の電極１６ａ、１６ｂについても任意の形状に形成することができ、ゲルアクチュエータ２０を任意の形状及び寸法に形成することは容易である。
ゲルアクチュエータとしては、もちろん透孔を形成しない形式のものであってもよい。また、基本単位のゲルアクチュエータ１０を積み重ねる積層数についても任意に設定することができる。
【００２０】
（変位量の測定）
図３は、ゲルアクチュエータに電圧を印加した際に、どの程度の変位が生じるかを測定した結果を示す。
測定で使用したサンプルは、基本単位のゲルアクチュエータを８層積層したものであり、ゲルにはPVCとDBA(可塑剤）の組成比を、PVC:DBA＝10:40（DBA40）としたものを使用し、２０メッシュのメッシュ体を使用した。
図３は、ゲルアクチュエータに印加する電圧（DC)を600V/mm、1200V/mm、1800V/mmとしたときの変位量の測定結果を示す。変位測定には、レーザ式変位計測器を使用した。図３は、印加電圧を1800V/mmとしたときの変位量が約１ｍｍ、1200V/mmとしたときの変位量が約０．９５ｍｍ、600V/mmとしたときの変位量が約０．６ｍｍであることを示す。電圧を印加していないときのゲルアクチュエータの全体厚は８ｍｍであり、前記測定におけるゲルアクチュエータの収縮率は、約７．５％、１２％、１３％となる。
【００２１】
（周波数応答特性の測定）
図４は、ゲルアクチュエータに用いるゲルの組成、具体的には可塑剤に使用するDBA（アジピン酸ジブチル）の量によってゲルアクチュエータの応答特性がどのように変わるかを測定した結果を示す。サンプルに用いたのは、PVCとDBAの組成比を、PVC:DBA＝10:40（DBA40）10:60（DBA60）、10:80（DBA80）とした３種である。
測定は、ゲルアクチュエータに矩形パルスの電圧（500V)を印加し、0.1Hz〜10Hzの周波数で電圧をON-OFFし、そのときの変位の振幅を測定する方法によった。図４はゲイン線図である。
【００２２】
測定結果は、図４に示すように、サンプルDBA40が3個のサンプルのうち最も応答特性にすぐれていることを示す。サンプルDBA40では、−3dBになるまでのバンド幅が７Hzであった。アクチュエータの応答速度は、ゲルアクチュエータに用いるゲルの弾力性に依存する。ゲルの弾力性は誘電性高分子材料に加える可塑剤の分量比に依存しており、可塑剤の分量比が多くなるにしたがって、ゲルの弾力性が劣り、これによって応答特性が低下する。
【００２３】
（回復応力の測定）
図５は、ゲルアクチュエータの回復応力の測定に用いた装置の概略構成を示す。この装置は、測定対象物であるゲルアクチュエータ２０を支持台３０上にセットし、ゲルアクチュエータ２０の上面と圧力センサ３２との離間距離（Gap)を変えて、ゲルアクチュエータ２０が元の厚さに復帰するときの応力（回復応力）を測定するものである。
圧力センサ３２は、ガイド３４により鉛直方向に移動可能に支持された支持ロッド３３の下端に取り付けられている。ノブ３５により支持ロッド３３を軸線の回りに回動させることにより圧力センサ３２が鉛直方向に移動し、マイクロメータ３６により圧力センサ３２の移動量が検知される。
【００２４】
本実施形態において使用したゲルアクチュエータ２０は、前述した積層型のゲルアクチュエータであり、本測定においては、ゲルにDBA40を使用し、基本単位のゲルアクチュエータを８層積層したサンプルを使用した。ゲルアクチュエータ２０のメッシュ体１２が陽極に接続され、第１の電極１６ａと第２の電極１６ｂが陰極に接続される。
測定は、陽極と陰極との間に印加する電圧を224（V/mm)、449（V/mm)、674（V/mm)、898（V/mm)とした場合の各々について、ゲルアクチュエータ２０と圧力センサ３２とのギャップを変えてゲルアクチュエータ２０の回復応力を測定した。
【００２５】
ゲルアクチュエータ２０に電圧を印加すると、ゲルアクチュエータ２０は厚さ方向に収縮するから、そのときのゲルアクチュエータ２０の上面と圧力センサ３２とのギャップをマイクロメータ３６によって調整し、ギャップを変えて、電圧を切った際にどのくらいの回復応力を示すかを圧力センサ３２によって検出した。図５（ａ）は、ゲルアクチュエータ２０に電圧を印加した場合で、ゲルアクチュエータ２０と圧力センサ３２との間にギャップが生じている状態、図５（ｂ）は、電圧を切った場合で、ゲルアクチュエータ２０が圧力センサ３２を押し上げている状態を示す。
【００２６】
図６は、回復応力の測定結果を示す。この測定結果は、ゲルアクチュエータ２０に印加する電圧が高いほど回復応力が大きくなり、ギャップが狭いほど回復応力が大きくなることを示している。すなわち、回復応力を大きくするには、ゲルアクチュエータ２０を収縮させた状態で、ゲルアクチュエータ２０の上面と圧力センサ３２とをより近接させて配置するのがよい。ゲルアクチュエータによる回復応力（Recovery stress）は2kPa程度あり、この回復応力を利用することによって、ブレーキやクラッチといった機械的な連繋機構にゲルアクチュエータを利用することが可能になる。
【００２７】
（ゲルアクチュエータを用いたブレーキ機構）
図７は、ゲルアクチュエータを機械的な連繋機構であるブレーキ機構に利用した例を示す。このブレーキ機構では、枠体に固定されたベース４０上に積層型のゲルアクチュエータ２０を配置し、ベース４０との間でゲルアクチュエータ２０を厚さ方向に挟む配置に第１のパッド４２を配置している。第１のパッド４２にはベース４０上に起立させて固定支持した回り止め用のガイドロッド４４が挿通され、第１のパッド４２は鉛直方向には移動自在に、水平面内においては回り止めして支持される。ガイドロッド４４はゲルアクチュエータ２０と干渉しないように、ゲルアクチュエータ２０の外周囲に配置される。
【００２８】
ベース４０、ゲルアクチュエータ２０及び第１のパッド４２には、電動モータ等の駆動源に連繋して回転駆動される駆動ロッド４５が挿通する。ベース４０、ゲルアクチュエータ２０、第１のパッド４２には、駆動ロッド４５が挿通する透孔が設けられている。
駆動ロッド４５の端部は第１のパッド４２よりも外方に延出し、駆動ロッド４５の延出端側に、駆動ロッド４５と一体に回転するロータ４６が固定される。ロータ４６の第１のパッド４２に対向する面には第１のパッド４２に対向する配置に第２のパッド４８が固定される。
ゲルアクチュエータ２０は基本単位となるゲルアクチュエータを複数層に積層したものであり、ゲルアクチュエータ２０のメッシュ体は電源の正極側に、電極（第１の電極、第２の電極）は電源の負極側に接続される。
【００２９】
前述したように、ゲルアクチュエータ２０は陽極（メッシュ体）と陰極（電極）との間に電圧を印加すると厚さ方向に収縮する。図７（ａ）は、ゲルアクチュエータ２０に電圧を印加した状態でゲルアクチュエータ２０が厚さ方向に収縮した状態、図７（ｂ）は、ゲルアクチュエータ２０に印加する電圧を切った状態でゲルアクチュエータ２０が厚さ方向に膨らんだ（電圧を印加しない元の状態に復帰した）状態を示す。
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、電源をONとした際に第１のパッド４２と第２のパッド４８とが離間し、電源をOFFとした際に第１のパッド４２と第２のパッド４８とが接触するように第１のパッド４２と第２のパッド４８の相互間隔を設定しておけば、電源をONにした状態でロータ４６がフリー回転し、電源をOFFにした状態でロータ４６にブレーキ力を作用させることができる。
【００３０】
電動モータなどを使用して機器を駆動する場合、駆動用の電源をOFFにした際にブレーキ力を作用させて駆動力が伝達されることを阻止するように制御する場合がある。図７に示すブレーキ機構は、ゲルアクチュエータ２０に接続する電源をOFFにした際にロータ４６にブレーキ力が作用する設定となるもので、ネガティブタイプのブレーキと呼ばれる。駆動源である電動モータの電源と、ゲルアクチュエータ２０に接続する電源とのON-OFFを連動させておけば、電動モータの駆動を停止させた際にゲルアクチュエータ２０の作用により自動的にブレーキが作用して機器の駆動を停止させることができる。このような制御方法は、電動モータの駆動停止とブレーキとが連動することによって、機器操作の安全性を高めることができ、電動モータの駆動が停止した際に瞬時にブレーキが作用することによって、機器を特定の動作停止位置に正確に保持させることが可能になる。ロボットに使用する電動モータを制御するような場合に、このような制御は有効である。
【００３１】
図７はゲルアクチュエータ２０をネガティブタイプ（負作動）のブレーキとして作用するように構成した例であるが、ゲルアクチュエータ２０に電圧を印加した際にブレーキ力が作用し、電圧を切った際にブレーキ力が解除される構成（ポジティブ（正作動）タイプのブレーキ）とすることももちろん可能である。たとえば、図７に示す例において、第１のパッド４２の形状を、第１のパッド４２によって第２のパッド４８を抱え込む形状とし、ゲルアクチュエータ２０が収縮した際に、第２のパッド４８の上面に第１のパッド４２が接触する構成とすればよい。
【００３２】
また、図７では、ベース４０、ゲルアクチュエータ２０、第１のパッド４２を挿通するように駆動ロッド４５を配置したが、ブレーキ力を作用させるためのゲルアクチュエータ２０等の配置はこの例に限るものではない。ゲルアクチュエータ２０を備えるブレーキ機構は、ブレーキを作用させるロータ等の対象に対して適宜配置とすることができる。また、図７では、ゲルアクチュエータ２０により第１のパッド４２を移動させて第２のパッド４８との間でブレーキ力を作用させるようにしているが、第２のパッド４８を使用せず、第１のパッド４２をロータ４６に直接、押接させるようにしてもよい。
【００３３】
図７に示す実施形態においては、相互間においてブレーキ力が作用する第１のパッド４２が本願発明における第１の部材に相当し、第２のパッド４８が第２の部材に相当するが、より大きな概念としては、ベース４０と第１のパッド４２とを含めて第１の部材ととらえることもでき、ロータ４６と第２のパッド４８とを含めて第２の部材ととらえることもできる。このように、本願発明におけるゲルアクチュエータは、一般的な部材間において機械的作用を連繋する作用を及ぼすものとして把握することができる。
【００３４】
図７に示すように、ベース４０と第１のパッド４２との間にゲルアクチュエータ２０を介装させてブレーキ作用を生じさせる構成とする方法は、ゲルアクチュエータ２０を駆動体に対して直列的に配置できる点からも、小型の機器内にきわめてコンパクトに装着することができるという利点がある。
また、回復応力の測定の項において述べたように、パッド間のギャップ（離間間隔）を適当に調節することによって、回復応力（作用力）の強さを調節することが可能であり、パッド間のギャップを調節することによってブレーキ力の利き方を調節することができ、用途に応じて、たとえばソフトにブレーキ力を作用させるといった調節が可能になる。
【００３５】
（ブレーキ作用の測定装置）
図８は図７に示したゲルアクチュエータを用いたブレーキ機構の特性を測定するために用いた測定装置の概略構成を示す。この測定装置は、支持枠５０に固定設置したモータ５２の出力軸５２ａと同軸上に、トルクセンサ５４と、ブレーキ機構を構成するベース４０、ゲルアクチュエータ２０、第１のパッド４２及び第２のパッド４８と、ロータ４６とを配置したものである。モータ５２には出力軸５２ａの回転角度（回転数）を検知するためのエンコーダ５１が付設されている。モータ５２の出力軸５２ａはカップリング５５、５６を介して駆動ロッド４５に連繋する。
なお、測定で使用したゲルアクチュエータ２０は、図２に示す積層型のゲルアクチュエータであり、DBA40をゲルとしてゲルアクチュエータを８層積層したものである。
【００３６】
図９はゲルアクチュエータによるブレーキトルク等の測定において、モータ５２に印加した電圧のプロフィールを示す。これらの測定においては、ゲルアクチュエータ２０に電圧を印加して２秒後から、時間とともに直線的に電圧を上げて測定した。
図１０は、第１のパッド４２と第２のパッド４８との離間間隔（Gap)を変えて、モータ５２に印加する電圧を図９に示すプロフィールにしたがって上げたときのモータ５２の回転角（回転数）を測定した結果を示す。図中で0.00%とあるのは、ギャップを０としてモータ５２に電圧を印加した場合、例として、6.06%とあるのは、ギャップの間隔をゲルアクチュエータ２０の全体厚に対して6.06%に相当する間隔に設定した場合の意味である。
【００３７】
先の回復応力の測定において、ギャップを狭くした場合に回復応力が大きくなることを示した。図１０は、ギャップが広くなるにしたがって、モータ５２がより早く回転を始動開始すること、ギャップが０の場合には、１０秒後から回転開始したことを示す。このギャップを変えたときのモータの回転始動の測定結果も、ブレーキを作用させるパッドの間隔をより狭くすることによってブレーキの利きが有効になることを示している。
【００３８】
図１１は、図９に示すプロフィールにしたがってモータ５２に印加する電圧を上げていきながらトルクセンサ５４によって測定したブレーキトルクの測定結果を示す。モータ５２に電圧を印加開始した時点からトルクが検出される。
図１２は、ギャップを変えたときにどの程度のブレーキトルク（制動トルク）が得られるかを示したものである。図のプロット点は、モータ５２が回転しはじめたときのトルク値を示す。図１２では、ギャップが8.3%、10%のときの測定値も示している。この実施例のブレーキ機構では、最大でおよそ40mNmのトルク値が得られた。このトルク値は、小型のモータであればブレーキ機構として十分に利用できる数値である。
【００３９】
図１３は、モータに印加する電圧を切った後におけるブレーキの作用によってモータ５２の回転がどうなるかを測定した結果を示す。モータ５２に一定の電圧を印加して５秒後（図の縦の点線の位置）にモータ５２への通電をOFFにした。ブレーキを作用させない場合は、モータ５２への通電をOFFにした後もモータ５２は回転を続け、累積回転角度が約40000（deg）となったところで停止した。これに対して、ブレーキを作用させた場合はモータ５２への通電をOFFにした後、１秒以内のうちにモータ５２の回転が停止したことを示す。本実施例の測定装置はネガティブタイプのブレーキであり、モータ５２への通電をOFFにすることによって自動的にブレーキが作用している。
【００４０】
図１４は、モータ５２への通電をOFFにした場合に、実際にブレーキがどの程度の時間内に作用しはじめるかをトルクセンサ５４を用いて測定した結果を示す。図１５は、ブレーキを作用させモータ５２への通電をOFFにした後のモータ５２の回転量をエンコーダ５１を用いて測定した結果を示す。
図１４に示すトルク値の測定結果は、モータ５２への通電をOFF（5秒後）にしてから、0.094秒後（5.094秒後）にブレーキが作用開始したことを示す。図１５に示す測定結果は、モータ５２への通電をOFFにしてから、0.5秒後には、モータ５２は完全に停止していることを示す。
なお、図１３、１４、１５に示す実験はブレーキのギャップを３．３２％に設定したものである。
【００４１】
本実施例のブレーキ機構では、ブレーキ用のパッド間にギャップがあるため、ゲルアクチュエータに電圧を印加して実際にブレーキが利きはじめるまでに時間ロスがある。図１４、１５はこの時間の遅れを示すものであるが、駆動源として電動モータを使用する場合は、通常、1:100程度に減速して使用する場合が多い。この場合には、モータが停止するまでに要する回転角度は２０度程度であり、モータの通電をOFFにしてからわずかに回転するだけで停止させることができる。
【００４２】
図１６、１７、１８は、ゲルアクチュエータを用いたブレーキ機構の耐久性について測定した結果を示す。図１６は、モータ５２に対して一定時間にわたって正弦波の電圧を印加し、ある程度時間経過した後にモータ５２への通電をOFFにして、その時のブレーキの作用を観察したものである。ブレーキを作用させると、モータ５２は短時間のうちに回転停止するのに対して、ブレーキを作用させない場合は、そのまま回転を続けて一定時間後に停止することを示す。
モータ５２を長時間作動させた場合は、ゲルアクチュエータがその間ON状態に保持されるから、図１６は、ゲルアクチュエータに長時間電圧を印加した場合にブレーキ性能が劣化したか否かを観察したことになる。
【００４３】
図１７、１８は、モータ５２に正弦波の電圧を印加する操作を一定時間行った後、ブレーキ作用が正常に作用するか否かを検査した結果を示す。図１７は、ブレーキを作用させた際に、どの程度の時間内にモータの回転が停止するかを測定した結果、図１８は、ブレーキを作用させた際に、モータが停止するまでに回転した角度を測定した結果を示す。
図１７、図１８とも、10000秒程度までの経過時のブレーキ特性を測定したものであるが、ゲルアクチュエータの一定時間の電圧印加によってブレーキ特性が劣化することはみられず、ゲルアクチュエータを用いるブレーキ機構は十分な耐久性を備えていることを示している。
【００４４】
（他の利用例）
上述した実施形態においては、部材間においてブレーキを作用させるアクチュエータとしてゲルアクチュエータを利用した例を示した。前述したように、ブレーキ機構には駆動源としてさまざまなものが用いられ、ブレーキを作用させる対象物もさまざまであるから、それらの構成に合わせてゲルアクチュエータの配置等を設定すればよい。
たとえば、図７に示す例においては、第１のパッド４２をゲルアクチュエータ２０によって駆動する構成としたが、ロータ４６を駆動ロッド４５と一体回転しかつ軸線方向に可動とし、ロータ４６をゲルアクチュエータ２０によって押動することによって第１のパッド４２と第２のパッド４８との間でブレーキ力が作用するようにすることも可能である。このように、ゲルアクチュエータを作用させる部材についても適宜選択できる。
【００４５】
また、図７に示した例は、第１のパッド４２と第２のパッド４８との間においてブレーキ力を作用させるものであるが、この作用は、第１のパッド４２と第２のパッド４８との間において機械的な連結力を作用させる関係とみることもできる。図７において、第１のパッド４２とベース４０とを軸線の回りで回転支持する構成とすれば、ゲルアクチュエータ２０により第１のパッド４２を第２のパッド４８に押接するとロータ４６の回転力が第１のパッド４２を介してベース４０側に伝達されて、ベース４０側が回転することになる。このゲルアクチュエータ２０によって第１のパッド４２と第２のパッド４８とを接離させる作用は、機械的連結を制御するクラッチ機構に相当する。このように、ゲルアクチュエータを用いた連繋機構をクラッチ機構として構成することもできる。
【００４６】
本発明に係るゲルアクチュエータは小型でコンパクトな製品であるから、制御用ロボット等のきわめて多数個の電動モータ等の駆動源を備える装置に組みつけて使用することが容易である。また、ゲルアクチュエータは電圧をON-OFFする操作によって簡単に制御でき、電気的な制御も容易である。また、電圧を印加した際の電流値はわずかであり、電力消費量が少なくて済むという利点があり、多くの電動モータを使用するといった装置に好適に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、部材間において機械的な作用を及ぼすブレーキ機構やクラッチ機構に利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０  ゲルアクチュエータ
１２  メッシュ体
１４  ゲル
１４ａ  第１のゲル
１４ｂ  第２のゲル
１６ａ  第１の電極
１６ｂ  第２の電極
２０  ゲルアクチュエータ
３０  支持台
３２  圧力センサ
３６  マイクロメータ
４０  ベース
４２  第１のパッド
４５  駆動ロッド
４６  ロータ
４８  第２のパッド
５１  エンコーダ
５２  モータ
５４  トルクセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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