(57)【要約】【課題】本発明の課題は、ダイヤフラム型よりも大きな力を発生できるアクチュエータ素子を用いたアクチュエータを提供することにある。【解決手段】本発明のアクチュエータは、誘電エラストマー層と、伸縮性を有するとともに上記誘電エラストマー層に積層される電極層とを有する複数の帯状の可撓性シートを備え、この複数の可撓性シートが、交差して重ねあわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれ、この折り畳み方向に伸縮するアクチュエータ素子、このアクチュエータ素子を上記伸縮が規制されないよう設置するケーシング、及びこのケーシングに上記アクチュエータ素子の伸縮方向へ往復移動が誘導されるよう上記ケーシングに貫通されるロッドを具備し、上記アクチュエータ素子の伸縮方向の一方の端部が上記ケーシングに当接し、他方の端部が上記ロッドの一方の端部に当接する構成を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電エラストマー層と、伸縮性を有するとともに上記誘電エラストマー層に積層される電極層とを有する複数の帯状の可撓性シートを備え、この複数の可撓性シートが、交差して重ねあわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれ、この折り畳み方向に伸縮するアクチュエータ素子、
このアクチュエータ素子を上記伸縮が規制されないよう設置するケーシング、及び
このケーシングに上記アクチュエータ素子の伸縮方向へ往復移動が誘導されるよう上記ケーシングに貫通されるロッドを具備し、
上記アクチュエータ素子の伸縮方向の一方の端部が上記ケーシングに当接し、他方の端部が上記ロッドの一方の端部に当接するアクチュエータ。
【請求項２】
一対の上記可撓性シートの何れの外面も平坦面であり、
一方の可撓性シートの一方の外面と他方の可撓性シートの他方の外面とが接面し、
一方の可撓性シートの他方の外面と他方の可撓性シートの一方の外面とが接面している請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
上記複数の可撓性シートのうち少なくとも一つの可撓性シートが、上記電極層の両面に積層される一対の上記誘電エラストマー層を備える請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
一対の上記可撓性シートが、略直角に交差して重ねあわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれている請求項１、請求項２又は請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
一対の上記可撓性シートが１０層以上１００００層以下で重畳されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
上記誘電エラストマー層の平均厚みが１０μｍ以上１００μｍ以下である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
上記電極層の平均厚みが、上記誘電エラストマー層の平均厚みの１／１０以下である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
上記ロッドの端部と上記アクチュエータ素子の端部との当接状態が、非固定状態である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
上記アクチュエータ素子に対し上記伸縮方向に力を作用する弾性部材をさらに具備する請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
上記アクチュエータ素子のバネ定数をｋｓ（Ｎ／ｍｍ）、上記弾性部材のバネ定数をｋｂ（Ｎ／ｍｍ）、上記アクチュエータ素子に負荷が加わっていないときの上記アクチュエータ素子の伸縮方向の長さをｔ０（ｍｍ）、電圧を印加していないときの上記アクチュエータ素子の伸縮方向の長さをｔ１（ｍｍ）、電圧を印加したときの上記アクチュエータ素子の伸縮方向の長さをｔ２（ｍｍ）、上記アクチュエータ素子の圧縮率をβ１（％）＝（（ｔ０−ｔ１）／ｔ０）・１００、上記アクチュエータ素子の最大変形量ε（ｍｍ）＝ｔ０−ｔ２とした場合に、下記式（１）及び式（２）を満たす請求項９に記載のアクチュエータ。
５＜β１＜３０  ・・・（１）
５＜（ｋｓ・ε／ｋｂ）＜２５  ・・・（２）
【請求項１１】
上記弾性部材がコイルバネであり、
上記ロッドが、上記ケーシングに貫通される軸部と、この軸部の一方の端部に設けられ一方の面が上記アクチュエータ素子の他方の端部に当接する鍔部とを有し、
上記コイルバネが上記ロッドに環装され、上記コイルバネの一方の端部が上記鍔部の他方の面側に当接し、上記コイルバネの他方の端部が上記ケーシングに当接する請求項９又は請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
上記ケーシングに、上記ロッドの軸部を挿通する穿孔が形成され、
上記穿孔に、上記ロッドの上記アクチュエータ素子伸縮方向の往復移動を許容しつつロッドを支持する軸受が付設されている請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用のロボット、介護用のロボット、医療機器等の分野では、柔軟性が高く、小型で軽量なアクチュエータの要求がある。アクチュエータとして最も一般的に用いられているものは、電磁力によって可動部を作動させる電磁式アクチュエータである。このような電磁式アクチュエータでは永久磁石が使用されるが、この永久磁石にはレアメタルが使用されており、その供給が不安定になるおそれがある。
【０００３】
そこで、永久磁石を用いないアクチュエータとして、近年誘導エラストマー型のアクチュエータが注目されている。誘導エラストマー型のアクチュエータは、誘導エラストマーの薄膜の表裏に変形可能な電極を設けた構成とし、この電極間に電圧を印加して電極間に静電力を発生させ、この静電力によって電極間に配置されているエラストマーを変形させて伸縮させる。この誘導エラストマー型のアクチュエータは、誘導エラストマーの選択によって高い周波数応答性を示し、究極的にはポリマーモーターやポリマーエンジンとしての使用も可能と言われている。
【０００４】
このような誘導エラストマー型のアクチュエータは、特表２００３−５０６８５８号公報や特開２００９−６０６９６号公報に開示されている。これらに開示されているアクチュエータは、ダイヤフラム型と呼ばれるアクチュエータであり、誘電エラストマー膜の表裏に電極層を積層した膜でアクチュエータの素子が形成されている。このアクチュエータは、この膜を水平に配置してその膜の中央にロッドの端部を取り付けて、電極層に電圧を印加したときに生じる膜の伸長を利用してロッドを上下動させている。
【０００５】
このダイヤフラム型のアクチュエータの構成では、低い電圧でもアクチュエータ素子の変形を大きくするためには誘電エラストマーの膜厚を薄くする必要があり、電極間に挟まれる誘電エラストマーの伸縮隔膜の厚みを少なくとも１００μｍ以下にする必要がある。このように薄い膜厚でアクチュエータ素子を構成すると、例えば数層の膜を積層しても、アクチュエータ素子が変形するときに発生する力は小さなものしか得られない。また、特開２００９−６０６９６号公報では、アクチュエータ素子の変形状態と弾性部材によって作用する弾性力の変化の関係については特に考慮されていない。
【０００６】
また、誘電エラストマーの膜が、ケーシングの上下を隔てる伸縮隔膜としてケーシングの周縁に取り付けられているので、アクチュエータ素子が伸縮した時に周縁部に応力集中が起こり、周縁から破壊しやすくなるおそれがある。また、薄膜である伸縮隔膜の繰り返し変形による永久変形が起こりやすいと考えられ、ロッドの上端位置の変化が生じやすいおそれもある。また、ロッド下端と接触する伸縮隔膜部分にも応力集中が起こりやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００３−５０６８５８号公報
【特許文献２】特開２００９−６０６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、本発明の課題は、ダイヤフラム型よりも大きな力を発生できるアクチュエータ素子を用いたアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係るアクチュエータは、
誘電エラストマー層と、伸縮性を有するとともに上記誘電エラストマー層に積層される電極層とを有する複数の帯状の可撓性シートを備え、この複数の可撓性シートが、交差して重ねあわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれ、この折り畳み方向に伸縮するアクチュエータ素子、
このアクチュエータ素子を上記伸縮が規制されないよう設置するケーシング、及び
このケーシングに上記アクチュエータ素子の伸縮方向へ往復移動が誘導されるよう上記ケーシングに貫通されるロッドを具備し、
上記アクチュエータ素子の伸縮方向の一方の端部が上記ケーシングに当接し、他方の端部が上記ロッドの一方の端部に当接する構成を有する。
【００１０】
当該アクチュエータが具備するアクチュエータ素子は、一の可撓性シートの電極層の一方の面に誘電エラストマー層を介して他の可撓性シートの電極層が積層され、この他の可撓性シートの電極層の一方の面に誘電エラストマー層を介して折り返された上記一の可撓性シートの電極層が積層される構造となる。このため、各可撓性シートにそれぞれ電圧を印加する（以下、電圧印加状態ということがある）ことによって、電極層間に静電力が発生する。そして、この静電力によって、誘電エラストマー層及び電極層が平面方向に伸長し、可撓性シートが層厚方向に収縮する。このため、電圧印加状態において収縮状態とすることができる。また、印加している電圧をなくすと、誘電エラストマー層及び電極層が平面方向に収縮し、可撓性シートが層厚方向に伸長する（以下、電圧無印加状態ということがある）。このため、電圧無印加状態において伸長状態とすることができる。また、このアクチュエータ素子は、上記のように複数の可撓性シートを交差して重ね合わせ交互に蛇腹状に折り畳む簡易な構成であるため、容易に製造することが可能である。特に、電極層を有する可撓性シートが折り畳まれ、一つの電極層によって複数の電極が構成されることになるため、当該アクチュエータは、電極ごとの配線が不要であり、配線構造が簡易である。また、このアクチュエータ素子は、交互に蛇腹状に折り畳まれて重ね合わされた誘電エラストマー層の折り畳み方向（層厚方向）の伸縮力を利用するため、当該アクチュエータは、エラストマー膜の面方向の伸長力を利用するダイヤフラム型のアクチュエータ素子を用いた従来のアクチュエータよりも大きな駆動力を発生することができる。また、当該アクチュエータは、アクチュエータ素子の伸縮方向すなわち折り畳み方向の一方の端部がケーシングに当接し、アクチュエータ素子の伸縮方向の他方の端部に、アクチュエータ素子の伸縮方向に誘導されて往復移動するロッドの一方の端部が当接しているので、アクチュエータ素子の伸縮力がアクチュエータ素子の伸縮方向のロッドの移動として伝達される構成であり、アクチュエータ素子の収縮力が安定して効率よくロッドに伝達される。
【００１１】
当該アクチュエータにあっては、一対の上記可撓性シートの何れの外面も平坦面であり、一方の可撓性シートの一方の外面と他方の可撓性シートの他方の外面とが接面し、一方の可撓性シートの他方の外面と他方の可撓性シートの一方の外面とが接面していることが好ましい。これにより、重ね合わされる一対の可撓性シートの電極層間の距離を小さくでき、電極層間の距離が小さくなると電極層間に発生する静電力が大きくなるので、電極層に挟まれる誘導エラストマー層を効率よく収縮させることができる。一対の可撓性シートの重なり合う外面同士が接面状態ではなく当接する場合、これらの外面の間に隙間が生じるため、これらの一対の可撓性シートの電極層間の距離が大きくなり、電極層間に発生する静電力が小さくなってしまう。
【００１２】
また、当該アクチュエータにあっては、複数の可撓性シートのうち少なくとも一つの可撓性シートが、電極層の両面に積層される一対の上記誘電エラストマー層を備えることが好ましい。これにより、この電極層が一対の誘電エラストマー層に挟まれた構造の可撓性シート（以下、サンドイッチ構造型可撓性シートということがある）を蛇腹状に折り畳むことによって、このサンドイッチ構造型可撓性シートの電極層と、他の可撓性シートの電極層との間にはサンドイッチ構造型可撓性シートの誘電エラストマー層が必ず介在することになる。
【００１３】
また、当該アクチュエータにあっては、一対の上記可撓性シートが、略直角に交差して重ねあわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれていることが好ましい。つまり、当該アクチュエータのアクチュエータ素子にあっては、一対の可撓性シートが例えば６０°に交差して重ね合わせたものとすることも可能であるが、この場合には一対の可撓性シートの重ね合わされる面積が小さくなってしまう。これに対して、一対の可撓性シートを略直角に交差して重ね合わせることによって、一対の可撓性シートの重ね合わされる面積を大きくすることができ、誘電エラストマー層が変形する領域が広くなる。なお、一対の可撓性シートの交差角度は、一対の可撓性シートの中心線同士のなす角度を意味し、略直角とは８０°以上、好ましくは８５°以上である。
【００１４】
当該アクチュエータは、上記一対の可撓性シートが１０層以上１００００層以下で重畳されていることが好ましい。つまり、当該アクチュエータのアクチュエータ素子は、一対の可撓性シートが交差して重ね合わされ交互に蛇腹状に折り畳まれて４層構造（各可撓性シートが２層ずつ）とすることも可能であるが、この４層構造では十分な収縮量が得られないおそれがある。これに対して、一対の可撓性シートが１０層以上１００００層以下で重畳されている（各可撓性シートが５層以上５０００層以下で重畳されている）ことにより、十分な収縮量が得られる。
【００１５】
当該アクチュエータの誘電エラストマー層の平均厚みとしては１０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。これにより、誘電エラストマー層が的確に平面方向に伸長（層厚方向に収縮）することができる。
【００１６】
当該アクチュエータは、電極層の平均厚みが、誘電エラストマー層の平均厚みの１／１０以下であることが好ましい。これにより、電極層に対する誘電エラストマー層の割合（層厚）を大きくすることができ、誘電エラストマー層が的確に平面方向に伸長（層厚方向に収縮）することができる。
【００１７】
当該アクチュエータは、上記ロッドの端部と上記アクチュエータ素子の端部との当接状態が、非固定状態であることが好ましい。ロッドの端部とアクチュエータ素子の端部とが固定されている場合、ロッドに対して外部から大きな負荷がかかったときには、重ね合わされている一対の可撓性シートが剥離したり、電極層から誘電エラストマー層が剥離するおそれがあるが、ロッドの端部とアクチュエータ素子の端部との当接状態を非固定状態とすることにより、これらの現象を防止できる。
【００１８】
当該アクチュエータは、上記アクチュエータ素子に対し上記伸縮方向に力を作用する弾性部材をさらに具備することが好ましい。アクチュエータ素子が収縮する向きに弾性部材の弾性力を作用させた場合には、アクチュエータ素子による収縮力が補強され、ロッドへの収縮力の伝達が安定する。また、アクチュエータ素子が伸長する向きに弾性部材の弾性力を作用させた場合には、アクチュエータ素子による復元力が補強され、ロッドへの伸長力の伝達が安定する。その結果、当該アクチュエータは、より安定して効率よく駆動力を発生できる。
【００１９】
当該アクチュエータは、上記アクチュエータ素子のバネ定数をｋｓ（Ｎ／ｍｍ）、上記弾性部材のバネ定数をｋｂ（Ｎ／ｍｍ）、上記アクチュエータ素子に負荷が加わっていないときの上記アクチュエータ素子の伸縮方向の長さをｔ０（ｍｍ）、電圧を印加していないときの上記アクチュエータ素子の伸縮方向の長さをｔ１（ｍｍ）、電圧を印加したときの上記アクチュエータ素子の伸縮方向の長さをｔ２（ｍｍ）、上記アクチュエータ素子の圧縮率をβ１（％）＝（（ｔ０−ｔ１）／ｔ０）・１００、上記アクチュエータ素子の最大変形量ε（ｍｍ）＝ｔ０−ｔ２とした場合に、下記式（１）及び式（２）を満たすことが好ましい。
５＜β１＜３０  ・・・（１）
５＜（ｋｓ・ε／ｋｂ）＜２５  ・・・（２）
【００２０】
圧縮率β１が上記式（１）の上記下限値以下の場合には、大きな伸長力が得られない。圧縮率β１が上記式（１）の上記上限値以上では、電圧を印加していない状態で既に大きく変形しているので、その状態がアクチュエータ素子の変形起点となり、さらにその状態からは変形し難くなってしまう。また、（ｋｓ・ε／ｋｂ）の値が上記式（２）の上記上限値以上の場合には、当該アクチュエータの高さが大きくなってしまい、またアクチュエータ素子の変形速度が遅くなってしまう。逆に（ｋｓ・ε／ｋｂ）の値が上記式（２）の上記下限値以下の場合、弾性部材による上記効果が薄くなってしまう。
【００２１】
当該アクチュエータは、上記弾性部材がコイルバネであり、上記ロッドが、上記ケーシングに貫通される軸部と、この軸部の一方の端部に設けられ一方の面が上記アクチュエータ素子の他方の端部に当接する鍔部とを有し、上記コイルバネが上記ロッドに環装され、上記コイルバネの一方の端部が上記鍔部の他方の面側に当接し、上記コイルバネの他方の端部が上記ケーシングに当接することが好ましい。これにより、上記ロッドが上記アクチュエータ素子の他方の端部と当接する部分の面積が大きくなるので、上記アクチュエータ素子による伸縮力がその伸縮方向に確実にロッドに伝達され、またロッドが伸縮方向以外にぶれることなく正確に伸縮方向に往復移動できる。そのため、当該アクチュエータは、より安定して駆動力を発生できる。
【００２２】
当該アクチュエータは、上記ケーシングに、上記ロッドの軸部を挿通する穿孔が形成され、上記穿孔に、上記ロッドの上記アクチュエータ素子伸縮方向の往復移動を許容しつつロッドを支持する軸受が付設されていることが好ましい。これにより、ロッドが往復移動する際のケーシングとの摩擦が小さくなり摺動抵抗を小さくできる。従って、ロッドが伸縮方向以外にぶれることなく正確に伸縮方向に往復移動できるとともに、耐久性が向上する。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明に係るアクチュエータは、ダイヤフラム型のアクチュエータ素子を用いたアクチュエータよりも大きな力を発生できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第一実施形態のアクチュエータの概略的断面図である。
【図２】図１のアクチュエータのアクチュエータ素子の上部の概略的断面図である。
【図３】図１のアクチュエータのアクチュエータ素子の概略的正面図である。
【図４】図３のアクチュエータ素子の概略的平面図である。
【図５】図３のアクチュエータ素子の要部を拡大した概略的断面図である。
【図６】図１のアクチュエータの説明図で、（Ａ）はアクチュエータ素子及びロッドの構成を示す概略的断面図で、（Ｂ）は電圧を印加していないときのアクチュエータの概略的断面図で、（Ｃ）は電圧を印加したときのアクチュエータの概略的断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態のアクチュエータのアクチュエータ素子の概略的正面図である。
【図８】評価に用いたダイヤフラム型アクチュエータの説明図で、（Ａ）はダイヤフラム型アクチュエータ素子の概略的正面図で、（Ｂ）はダイヤフラム型アクチュエータ素子の概略的平面図である。
【図９】本発明のアクチュエータ及びダイヤフラム型アクチュエータにおける変位と荷重との関係を示すグラフである。
【図１０】重り持ち上げ試験の試験方法を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参酌しつつ説明する。
【００２６】
＜アクチュエータ１＞
図１のアクチュエータ１は、ケーシング１４と、伸縮可能なアクチュエータ素子１０と、ロッド１１と、コイルバネ１７とを備える。上記アクチュエータ素子１０及びコイルバネ１７は、ケーシング１４内にそれぞれ圧縮状態で収納されている。アクチュエータ素子１０は、その折り畳み方向の伸縮が規制されないようにケーシング１４内に収納されており、その下端部がケーシング１４の下板部１６の上面に固定されている。また、アクチュエータ素子１０の上方にロッド１１が配置されており、アクチュエータ素子１０の上端部にロッド１１の下端部が当接している。また、ケーシング１４の上面には穿孔１８が設けられており、ロッド１１の軸部１２が穿孔１８を貫通している。この穿孔１８によってロッド１１の移動方向が誘導され、ロッド１１は、アクチュエータ素子１０の折り畳み方向の伸縮に伴ってその伸縮方向に沿って往復移動する。
【００２７】
＜アクチュエータ素子１０＞
図２には、制御回路４０に接続される導線２０との結線状態例を示したアクチュエータ素子１０の一部（上部）の概略的断面図を示している。
【００２８】
上記アクチュエータ素子１０は、電極層１１０及び電極層１１０の両面に誘電エラストマー層１２０を有する一対の可撓性シート１００を有しており、可撓性シート１００の一方の端部では、電極層１１０の両面側に配設されている誘電エラストマー層１２０のうち、一方の誘電エラストマー層１２０がもう一方の誘電エラストマー層１２０よりも突設して形成されており、その突設した部分が接続部１１１を形成している。電極層１１０は、この接続部１１１を介して制御回路４０に接続される導線２０に接続され、制御回路４０から電極層１１０へ電圧が印加される。
【００２９】
上記アクチュエータ素子１０は、一対の帯状の可撓性シート１００が電極層１１０、１１０同士の間に誘電エラストマー層１２０が配設されるように折り畳まれている。具体的には図３及び図４に示すように、一対の可撓性シート１００が、略直角に交差して重ね合あわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれている。この一対の可撓性シート１００は、同一構成のものを使用している。
【００３０】
また、一対の可撓性シート１００を積層する数の下限としては、１０層が好ましく、３０層がより好ましく、５０層がさらに好ましい。一対の可撓性シート１００を積層する数の上限としては、１００００層が好ましく、１０００層がより好ましく、１５０層がさらに好ましい。上記下限値未満であると、アクチュエータ素子１０の高さが低く十分な収縮量が得られないおそれがある。上記上限値を超えると、可撓性シート１００の長さが長くなり過ぎ、可撓性シート１００に欠陥を生ずるおそれがあり、この欠陥によって絶縁破壊が生ずるおそれがある。
【００３１】
＜可撓性シート１００＞
上記可撓性シート１００は、図５に示すように、伸縮性を有する電極層１１０と、この電極層１１０の両面に積層される一対の誘電エラストマー層１２０とを備えている。両面に積層された一対の誘電エラストマー層１２０は同一構成を有している。
【００３２】
上記可撓性シート１００は、平均厚みの下限としては、２０μｍが好ましく、４０μｍがより好ましい。また、可撓性シート１００の平均厚みの上限としては、３００μｍが好ましく、１４０μｍがより好ましい。また、可撓性シート１００の幅（短手方向の長さ）は、用いられる当該アクチュエータ１の用途等に応じて適宜設計変更可能であり、例えば１ｃｍとすることが可能である。さらに、可撓性シート１００の長さ（長手方向の長さ）は、重畳する回数やシートの幅等により適宜設計変更可能であるが、例えば８０ｃｍとすることが可能である。
【００３３】
上記誘電エラストマー層１２０は、弾性変形可能な層である。この誘電エラストマー層１２０は、天然ゴム、イソプレンゴム、アクリロニトリル／ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、スチレン／ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）等の合成ゴムや、シリコーンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム等から構成することが可能である。表面自由エネルギーが低く、電極層のコーティングをしにくく、また可撓性シートを交互積層したときに層間が密着しにくいという欠点があるものの、絶縁破壊強度が高く、低弾性率及び動特性が優れるという観点ではシリコーンゴムから構成することが好ましい。また、アクリルゴムや、疎水性のソフトセグメントを有するウレタンゴムは、比較的高い誘電率と高い絶縁破壊強度を有し、層間の粘着性を持たせることができるので、誘電エラストマー層１２０は、特にこれらの材料から構成されるのが好ましい。
【００３４】
上記誘電エラストマー層１２０は、重ね合わされたときに、重なり合う電極層１１０間の距離が小さいほどよいので、上記可撓性シート１００の外面が平坦であり、可撓性シート１００の外面同士が接面状態で重なり合うのが好ましい。上記可撓性シート１００の外面は誘電エラストマー層１２０で構成されているので、誘電エラストマー層１２０の露出している面が平坦で、重なり合う誘電エラストマー層１２０同士が接面状態で重なり合うのが好ましい。
【００３５】
上記誘電エラストマー層１２０は、他の誘電エラストマー層１２０と略同一厚みで形成されていることが好ましい。なお、略同一厚みとは、一方の誘電エラストマー層１２０の平均厚みに対する他の誘電エラストマー層１２０の平均厚みの比が０．９５以上１．０５以下であることを意味する。
【００３６】
この誘電エラストマー層１２０（一層）の平均厚み（Ｔ１）の下限としては、１０μｍが好ましく、２０μｍがより好ましい。また、誘電エラストマー層１２０の平均厚み（Ｔ１）の上限としては、１５０μｍが好ましく、７０μｍがより好ましい。誘電エラストマー層１２０の平均厚みが上記下限値未満であると、誘電エラストマー層１２０が薄くなり過ぎ、誘電エラストマー層１２０が絶縁破壊するおそれが生ずるとともに、アクチュエータ素子１０の高さ（折り畳み方向の長さ）を十分なものとするために可撓性シート１００の積層数が多くなり過ぎ、製造コストの増大を招くおそれがある。当該アクチュエータ１の駆動力には、アクチュエータ素子１０の層厚方向の伸縮を利用するので、この観点からは交互積層された可撓性シート１００の厚みは大きい程好ましい。しかし、誘電エラストマー層１２０の平均厚みが上記上限値を超えると、アクチュエータ素子１０の変形に要する電圧が大きくなるので好ましくない。
【００３７】
また、誘電エラストマー層１２０は、圧縮弾性率の下限値として、０．１ＭＰａが好ましく、０．３ＭＰａがより好ましい。また、圧縮弾性率の上限値として、１．５ＭＰａが好ましく、１．２ＭＰａがより好ましい。上記下限値未満であると、誘電エラストマー層１２０が軟らかすぎ、圧縮変形ひずみが大きくなり過ぎるおそれがある。一方、上記上限値を超えると、誘電エラストマー層１２０が硬すぎ層厚方向に収縮し難いおそれがある。上記圧縮弾性率は、ＪＩＳ−Ｋ６２５４の低変形圧縮試験に準拠して、１０％歪を与えた場合の圧縮弾性率である。
【００３８】
さらに、誘電エラストマー層１２０の比誘電率の下限値としては、２が好ましく、３がより好ましく、４がさらに好ましい。また、比誘電率の上限値としては、９が好ましく、８がより好ましく、７がさらに好ましい。上記下限値未満であると、静電容量が小さくなり当該アクチュエータ１として利用した際に十分な収縮力が得られないおそれがある。一方、比誘電率が上記上限値を超えると、誘電性フィラーを大量に添加する必要があり誘電エラストマー層が硬くなり変形しにくくなる。
【００３９】
また、誘電エラストマー層１２０は他の誘電エラストマー層１２０と略同一幅で形成されていることが好ましい。なお略同一幅とは、一方の誘電エラストマー層１２０の幅に対する他方の誘電エラストマー層１２０の幅の比が０．９５以上１．０５以下であることを意味する。この誘電エラストマー層１２０の幅（Ｗ１）は、用いられる当該アクチュエータ１の用途等に応じて適宜設計変更可能であり、例えば１ｃｍとすることが可能である。
【００４０】
上記電極層１１０は誘電エラストマー層１２０よりも極力薄く設けられ、電極の導電性に応じて、厚みが決定される。電極層１１０の厚みが大きすぎると、アクチュエータ素子１０における電極層１１０の割合（層厚）が大きくなり、誘電エラストマー層１２０の割合が小さくなるので、アクチュエータ素子１０が十分に収縮できないおそれがある。
【００４１】
さらに、電極層１１０は誘電エラストマー層１２０の変形に十分追随し、誘電エラストマー層１２０の変形を抑制しないことが必要である。電極層１１０が軟らかくても厚みが大きいと、圧縮変形ひずみが大きくなり過ぎるおそれがある。電極層１１０が硬すぎると、当該可撓性シート１００が変形しにくくなり、変形させるためには高い電圧を印加する必要が生じ、この高い電圧によって誘電エラストマー層１２０の絶縁破壊を招くおそれがある。
【００４２】
さらに、上記電極層１１０の導電性フィラーとしては、種々のものが採用可能であり、例えば導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ（単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブ）、導電性金属フィラー等を採用可能である。特に、電極層１１０の導電性フィラーとしては、伸縮によっても通電性が維持されることを考慮すると、アスペクト比の大きいカーボンナノチューブを採用することが好ましい。特にカーボンナノチューブは、実質的にバインダー無しで電極を極薄層に形成しても、その絡み合いによって誘電エラストマー表面に固着させることができるので、特に好ましい。このようにして得られる電極層１１０の表面抵抗は、アクチュエータ素子１０を駆動するために十分低い値を示し、誘電エラストマー層１２０の変形に十分に追随することができる。また、電極層１１０をＳＷＣＮＴで構成した可撓性シート１００は、層間の剥離も生じない。
【００４３】
また、電極層１１０は、誘電エラストマー層１２０よりも幅狭に形成されている。つまり、誘電エラストマー層１２０は、電極層１１０よりも外側に延出した袖部１２１を有しており、電極層１１０の端面での短絡等を防止している。袖部１２１の幅は、誘電エラストマー層１２０の幅（Ｗ１）に対して１／１００倍以上１／２０倍以下であることが好ましく、１／５０倍以上1／３０倍以下であることがより好ましい。上記下限値未満であると短絡防止効果が十分に得られないおそれがある。一方、上記上限値を超えると、電極層１１０の幅が狭くなり、平面視電極が重なっている領域の面積が狭くなり、十分な収縮力が得られないおそれがある。
【００４４】
また、可撓性シート１００は電極層１１０の両面に誘電エラストマー層１２０が積層されているので、アクチュエータ素子１０をその伸縮方向が上下方向になるように配置したときは、電極層１１０の両面に積層された誘電エラストマー層１２０が電極層１１０の上側及び下側に位置することになる。可撓性シート１００の一方の端部において、可撓性シート１００が折り畳まれたときに、電極層１１０の下側に位置する誘電エラストマー層１２０が電極層１１０の上側に位置する誘電エラストマー層１２０よりも突設して接続部１１１を形成する構成としている。電極層１１０は極薄膜であるため、外部電源との接続に用いる導線２０との結線部分で接続不良が生じないように、電極層１１０の下側に配置される誘電エラストマー層１２０で形成した接続部１１１で補強して導線２０と接続する構成としている。
【００４５】
上記ロッド１１は、アクチュエータ素子１０の伸縮方向へ往復移動が誘導されるようにケーシング１４に貫通して設けられている。このロッド１１は、アクチュエータ素子１０の伸縮方向に伸びる軸部１２、及びこの軸部１２の下端部に固定される鍔部１３で構成される。アクチュエータ素子１０の上端部は、上方を向いた誘電エラストマー層１２０の面となっており、この上方を向いた誘電エラストマー層１２０の面と面接触する鍔部１３の下面の形状は、アクチュエータ素子１０との接触面積を大きくするために、アクチュエータ素子１０の上端部の誘電エラストマー層１２０の面と同じ矩形状としている。軸部１２がケーシング１４の上面に設けられた穿孔１８を貫通して配置され、軸部１２の上端部に当該アクチュエータ１によって駆動する相手部材が接続される。軸部１２の位置が穿孔１８によって規制されているので、ロッド１１は、アクチュエータ素子１０の折り畳み方向の伸縮に対応して、可撓性シート１００の伸縮方向すなわち折り畳み方向に往復移動する。なお、軸部１２の上端部に接続される相手部材は、当該アクチュエータ１によって駆動する対象の部材であり、特に限定されず様々な分野で用いられる部材を接続できる。一例として、人工筋肉、医療機器、ポリマーエンジンなどで使用される部材が挙げられる。
【００４６】
上記ロッド１１の材質としては、例えば鋼等の金属や樹脂を用いることができる。また、軸部１２と鍔部１３は、当該アクチュエータ１を組立てる前にこれらを結合して予めロッド１１を組立てておいてもよいし、当該アクチュエータ１の組立て時に、軸部１２と鍔部１３とを結合させてもよい。
【００４７】
また、鍔部１３の下面の面積は、アクチュエータ素子１０の上端部の誘電エラストマー層１２０の面の大きさに合わせて適宜設定する。アクチュエータ素子１０の上端部の誘電エラストマー層１２０の面の大きさと同じか、誘電エラストマー層１２０の面を覆うように誘電エラストマー層１２０の面より少し小さく設定するのが好ましい。鍔部１３の下面の一辺の長さを、アクチュエータ素子１０の上端部の誘電エラストマー層１２０の有効面の一辺の長さの０．９倍以上１．１倍以下とするのが好ましく、０．９５倍以上１．０５倍以下とするのがより好ましい。鍔部１３の下面の一辺の長さが上記下限値より小さいと、アクチュエータ素子１０の伸縮力のロッド１１への伝達効率が低下するおそれがあり、上記上限値より大きいと、当該アクチュエータ１自体のサイズが大きくなってしまう。なお、ここで誘電エラストマー層１２０の有効面とは、アクチュエータ素子１０の上端部の誘電エラストマー層１２０で形成される面のうち、アクチュエータ素子１０の伸縮力を有効に伝達できる領域を言い、アクチュエータ素子１０の上下に積層される電極層１１０の交差する領域である。
【００４８】
また、上記ロッド１１の鍔部１３とアクチュエータ素子１０の上端部との当接状態は、接着等により固定されていてもよいし、非固定状態であってもよい。鍔部１３がアクチュエータ素子１０の上端部に固定されていると、アクチュエータ素子１０の収縮力がロスなくロッド１１の往復移動エネルギーとして確実に伝えられるので駆動力の伝達効率が向上する。また、鍔部１３がアクチュエータ素子１０の上端部に固定されていなくても、常に鍔部１３をアクチュエータ素子１０側へ押しつけるようにコイルバネ１７が圧縮状態で軸部１２に環装されているので、ロッド１１とアクチュエータ素子１０との離間を生じさせず、アクチュエータ素子１０による伸縮動作が確実にロッド１１へ伝達される。また、鍔部１３がアクチュエータ素子１０の上端部に固定されていない場合には、外部からロッド１１に大きな負荷が加わったときに、アクチュエータ素子１０の上端部から鍔部１３が離間してアクチュエータ素子１０へその負荷がかかることを防止できる。
【００４９】
上記コイルバネ１７は、上記アクチュエータ素子１０に対しその伸縮方向に力を作用する弾性部材であり、ロッド１１の軸部１２に環装される状態でケーシング１４の内部に収納されている。コイルバネ１７は、下端部が鍔部１３の上面に当接し、上端部がケーシング１４の上面の内壁に当接して、圧縮された状態でケーシング１４内に収納されている。
【００５０】
コイルバネ１７は、圧縮状態で下端部がロッド１１の鍔部１３の上面に当接しているので、コイルバネ１７の弾性力が常に鍔部１３をアクチュエータ素子１０へ押しつけるように作用する。従って、鍔部１３がアクチュエータ素子１０の上端部に固定されていない場合でも、ロッド１１下端の鍔部１３を常にアクチュエータ素子１０の上端部に当接させ、ロッド１１とアクチュエータ素子１０との離間を生じさせないので、アクチュエータ素子１０による伸縮動作が確実にロッド１１へ伝達される。
【００５１】
上記コイルバネ１７の材質としては、例えば鋼等の金属製の圧縮タイプのバネを使用できるが、当該アクチュエータ１で用いる弾性部材として、ゴム弾性体等も使用できる。バネ定数や高さの各種グレードがあり、アクチュエータの設計がしやすく、さらに永久変形を生じにくいという観点からは金属製のコイルバネが好ましい。
【００５２】
コイルバネ１７のコイル径、巻き数及び高さは、アクチュエータ素子１０や駆動する相手部材に応じて必要な変形量とバネ定数から選択される。
【００５３】
ここで、バネ定数とは、弾性部材を１ｍｍ圧縮するのに必要な力（Ｎ）を言う。コイルバネのような完全な弾性体の場合、変位と力の関係が線形となるが、エラストマーの場合には、完全に線形とならず、変形率が大きいほど傾きが大きくなる。アクチュエータ素子１０に用いる可撓性シート１００の誘電エラストマー層１２０は軟質であるので、当該アクチュエータ１が使用される最大変形領域（圧縮率が１０〜１５％の領域）では、変形率と力（応力）の関係は略直線とみなせる。従って、アクチュエータ素子を１０％変形するために必要な力をアクチュエータ素子１０のバネ定数ｋｓとした。
【００５４】
上記ケーシング１４の内部には、アクチュエータ素子１０の折り畳み方向の伸縮が規制されないようにアクチュエータ素子１０が設置される。また、ケーシング１４にはロッド１１が貫通しており、ケーシング１４は、アクチュエータ素子１０の伸縮方向へのロッド１１の往復移動を誘導している。上記ケーシング１４は、下板部１６とケーシング本体部１５とを有する。下板部１６は板状で、アクチュエータ素子１０の下端部が固定される。ケーシング本体部１５は、底部の無い箱型形状で、ケーシング１４内に収納するアクチュエータ素子１０等の部材を下板部１６上に配置した後、その上からそれらの部材を覆うように被せて、下板部１６に固定される。ケーシング本体部１５は、上面にロッド１１の軸部１２を貫通させロッド１１の移動方向を規制する穿孔１８を有する。アクチュエータ素子１０の下端部の固定を確実にするために、下板部１６のアクチュエータ素子１０を固定する面側に凹部を設けるのが好ましい。
【００５５】
上記ケーシング１４の材質としては、例えば鋼等の金属や合成樹脂等を用いることができる。
【００５６】
上記ケーシング１４の形状及び大きさは、アクチュエータ素子１０や駆動する相手部材に応じて適宜設定される。
【００５７】
なお、図１では、ケーシング１４のケーシング本体部１５の内壁面とアクチュエータ素子１０との間に隙間を設けて記載しているが、この隙間はできるだけ小さくすることが好ましい。電圧を印加したときアクチュエータ素子１０は、可撓性シート１００の面方向、すなわち可撓性シート１００の折り畳み方向とは垂直な方向に伸長するが、このときに可撓性シート１００の折り曲げ部分がケーシング本体部１５の内壁面に接触する程度とするのが好ましい。アクチュエータ素子１０とケーシング本体部１５の内壁面との間の隙間をできるだけ小さくすることにより、アクチュエータ素子１０が層厚方向に伸縮する際にアクチュエータ素子１０自体が層厚方向とは垂直な面方向にぶれることを防止でき、これによってアクチュエータ素子１０の上端部に追随して移動するロッド１１も、アクチュエータ素子１０の伸縮方向以外にぶれることなくアクチュエータ素子１０の伸縮方向に沿って精度よく往復移動させることができる。
【００５８】
＜アクチュエータ１の製造方法＞
当該アクチュエータ１及びアクチュエータ素子１０は種々の方法によって製造可能であるが、その一例を以下に示す。
【００５９】
まず、印刷やコーティング等の手法によって誘電エラストマー形成材料を層状にして、この誘電エラストマー形成材料を乾燥させて誘電エラストマー薄膜を形成する。なお、誘電エラストマー薄膜の形成は、押出し成形法等によって形成することも可能である。
【００６０】
誘電エラストマー層１２０の表面に、印刷やコーティング等の手段によって導電性フィラー等が分散された電極層形成材料を積層し、この積層された電極層形成材料の表面に他の誘電エラストマー層１２０を積層し、この電極層形成材料を乾燥させることによって、三層構造の可撓性シート１００が形成される。なお、導電性フィラーを電極層形成材料中で分散させる手法は、固相分散であっても液相分散であっても良い。
【００６１】
この可撓性シート１００を一対準備し、これを交互に折り畳んで、アクチュエータ素子１０を作成する。
【００６２】
次に、ロッド１１、コイルバネ１７及びアクチュエータ素子１０を図６（Ａ）に示すように伸長状態で下板部１６上に予備組立てした後、ケーシング本体部１５の上部の穿孔１８にロッド１１の軸部１２を挿入しつつ、ケーシング本体部１５の上部を押さえながら、アクチュエータ素子１０及びコイルバネ１７を圧縮しつつケーシング本体部１５と下板部１６とを固定することにより、当該アクチュエータ１が完成する。ケーシング１４のケーシング本体部１５と下板部１６は、ビス止め等により完全固定する。
【００６３】
＜アクチュエータ１の動作＞
図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に、当該アクチュエータ１の動作を説明する図を示す。
【００６４】
アクチュエータ素子１０及びコイルバネ１７は、図６（Ａ）に示す当該アクチュエータ１を組立てる前の負荷が加わっていない状態から、当該アクチュエータ１の組立て後には、図６（Ｂ）に示すようにそれぞれ圧縮されてケーシング１４内に装着される。
【００６５】
アクチュエータ素子１０の負荷が加わっていないときの高さをｔ０（ｍｍ）、当該アクチュエータ１を組立てた後、電圧を印加していない状態における高さをｔ１（ｍｍ）、当該アクチュエータ１を組立てた後、電圧を印加したときのアクチュエータ素子１０収縮時の高さをｔ２（ｍｍ）とし、コイルバネ１７の自由高さをｈ０（ｍｍ）、当該アクチュエータ１を組立てた後、電圧を印加していない状態におけるコイルバネ１７の高さをｈ１（ｍｍ）、当該アクチュエータ１を組立てた後、電圧を印加した状態におけるコイルバネ１７の高さをｈ２（ｍｍ）とし、アクチュエータ素子１０のバネ定数をｋｓ（Ｎ／ｍｍ）、コイルバネ１７のバネ定数をｋｂ（Ｎ／ｍｍ）とすると、図６（Ｂ）に示す組立て後、電圧を印加していない状態では、コイルバネ１７が伸長しようとする弾性力とアクチュエータ素子１０が伸長しようとする弾性力が釣り合っており、下記式（３）を満たす。
ｋｓ・（ｔ０−ｔ１）＝ｋｂ（ｈ０−ｈ１）  ・・・（３）
【００６６】
アクチュエータ素子１０は、図２に示すように、下側の可撓性シート１００の電極層１１０の上面に、この可撓性シート１００の上側の誘電エラストマー層１２０及び他方の可撓性シート１００の下側の誘電エラストマー層１２０を介して、この他方の可撓性シート１００の電極層１１０が積層された構造となる。このため、一対の可撓性シート１００の電極層１１０に電圧を印加してこれらの電極層１１０間に電位差が生じると、誘電エラストマー層１２０が平面方向に伸長することによって誘電エラストマー層１２０が層厚方向に収縮する。
【００６７】
一方、電極層１１０に印加している電圧をなくすと、誘電エラストマー層１２０が平面方向に収縮し、可撓性シート１００が層厚方向に伸長する。つまり、誘電エラストマー層１２０が復元する。
【００６８】
このように、アクチュエータ素子１０を可撓性シート１００の折り畳み方向を基準として、電圧無印加状態において伸長状態とし、電圧印加状態において収縮状態とすることができる。
【００６９】
一定の電圧が一対の可撓性シート１００の電極層１１０に印加されると、アクチュエータ素子１０は層厚方向に収縮し、コイルバネ１７は逆に伸長する。そして、アクチュエータ素子１０が層厚方向に収縮するに伴って、ロッド１１は、可撓性シート１００の折り畳み方向に沿ってアクチュエータ素子１０が収縮する向き（図１では下向き）へ移動する。その後、印加する電圧を小さくするかオフ状態にすると、アクチュエータ素子１０自身の復元力により、コイルバネ１７が伸長しようとする弾性力に抗して、層厚方向に伸長する。このため、ロッド１１は、可撓性シート１００の折り畳み方向に沿ってアクチュエータ素子１０が伸長する向き（図１では上向き）へ移動する。可撓性シート１００の伸縮方向へのロッド１１の移動に伴い、ロッド１１の上端に連結されている相手部材に当該アクチュエータ１の駆動力が作用する。このように、一対の可撓性シート１００の電極層１１０に印加する電圧をオン状態からオフ状態に切り替えることで、ロッド１１をアクチュエータ素子１０が伸長する向きへ移動させることができる。
【００７０】
電圧印加後のアクチュエータ素子１０の収縮量は（ｔ１−ｔ２）となり、アクチュエータ素子１０の収縮力Ｆｓは（ｔ１−ｔ２）・ｋｓ、コイルバネ１７によって付加される弾性力の変化は（ｈ２−ｈ１）・ｋｂとなり、このときにロッド１１に対してアクチュエータ素子１０が収縮する向きに作用する力はこれらの和となる。
【００７１】
ここで、ロッド１１下端の鍔部１３とアクチュエータ素子１０が固定されていない場合について説明する。ロッド１１に対して、アクチュエータ素子１０が伸長する向きの大きな負荷がかかった場合、コイルバネ１７のバネ定数ｋｂが小さすぎると、コイルバネ１７が負荷により収縮する。一方、アクチュエータ素子１０は収縮しているので、コイルバネ１７とアクチュエータ素子１０が離間する場合が生ずる。アクチュエータ素子１０が収縮状態にある場合のコイルバネ１７によってアクチュエータ素子１０が収縮する向きに付加される弾性力をｆ１とすると、ｆ１＝（ｈ０−ｈ２）・ｋｂであり、この値が、アクチュエータ素子１０の膨張力Ｆｓ＝（ｔ１−ｔ２）・ｋｓより大きいか、小さくても近い値であることが好ましい。
【００７２】
つまり、コイルバネ１７のバネ定数ｋｂは、ある程度大きいことが必要である。当該アクチュエータ１を組立てた後のアクチュエータ素子１０に電圧を印加していない状態での圧縮率をβ１（％）＝（（ｔ０−ｔ１）／ｔ０）・１００としたとき、この圧縮率β１をある程度大きくしておくことによって、所望の大きさのバネ定数ｋｂを有するコイルバネ１７を用いることができる。この圧縮率β１を、下記式（１）を満たす値とするのが好ましい。
５＜β１＜３０  ・・・（１）
【００７３】
圧縮率β１が上記式（１）の下限値以下の場合には、ロッド１１に対してアクチュエータ素子１０が伸長する向きに作用させる大きな力が得られないおそれがある。圧縮率β１が上記式（１）の上限値以上では、電圧を印加していない状態でアクチュエータ素子１０が既に大きく変形している状態であり、その状態がアクチュエータ素子の変形起点となるため、さらにその状態からは変形し難くなるので好ましくない。
【００７４】
また、コイルバネ１７のバネ定数ｋｂとアクチュエータ素子１０のバネ定数ｋｓとの関係は、アクチュエータ素子１０の最大変形量をε（ｍｍ）＝ｔ０−ｔ２とした時、（ｋｓ・ε／ｋｂ）の値を、下記式（２）を満たす値とするのが好ましい。
５＜（ｋｓ・ε／ｋｂ）＜２５  ・・・（２）
【００７５】
（ｋｓ・ε／ｋｂ）の値が上記式（２）の上限値以上である場合、つまりコイルバネ１７のバネ定数ｋｂが小さすぎると、電圧を印加していない状態でのコイルバネ１７の高さが高くなって、当該アクチュエータ１の高さが大きくなってしまい、さらにアクチュエータ素子１０の収縮を補助する弾性力が小さくなりすぎて、アクチュエータ素子１０の変形速度が遅くなってしまう。逆に、（ｋｓ・ε／ｋｂ）の値が上記式（２）の下限値以下である場合、つまりコイルバネ１７のバネ定数ｋｂが大きすぎる場合には、アクチュエータ素子１０が収縮した場合にコイルバネ１７によって作用する弾性力の変化が大きくなって、収縮後にコイルバネ１７によってアクチュエータ素子１０が収縮する向きに作用する弾性力が小さくなってしまい、当該アクチュエータ１の駆動力の製品間バラツキが生じやすくなるおそれがある。
【００７６】
また、アクチュエータ素子１０が永久変形すること、すなわち電圧を印加しないときのアクチュエータ素子１０の伸縮方向の長さが当初の長さｔ１よりも小さくなってしまうことが考えられる。アクチュエータ素子１０の伸縮方向の長さが当初の長さｔ１よりも小さくなると、圧縮されて力の釣り合いを保っていたコイルバネ１７が伸長し、別の釣り合い点に移行することになる。このとき、コイルバネ１７のバネ定数ｋｂが大きすぎると、アクチュエータ素子１０の伸縮方向の長さが当初の長さより小さくなった分コイルバネ１７が少し伸長することにより、コイルバネ１７によってアクチュエータ素子１０が収縮する向きへ作用する弾性力が大きく低下してしまう。一方、コイルバネ１７によってアクチュエータ素子１０が収縮する向きへ作用する弾性力が小さい場合、すなわちコイルバネ１７のバネ定数ｋｂが大きすぎなければ、コイルバネ１７は大きく圧縮されているので、アクチュエータ素子が永久変形して当初の長さｔ１よりも小さくなっても、コイルバネ１７が少し伸びても、コイルバネ１７によってアクチュエータ素子１０が収縮する向きへ作用する弾性力の変化は小さくなる。従って、（ｋｓ・ε／ｋｂ）の値を上記下限値よりも大きくすることにより、駆動力や応答性の変化の少ないアクチュエータの提供が可能になる。
【００７７】
ロッド１１下端の鍔部１３とアクチュエータ素子１０とが互いに固定されていてもよいが、上述したように上記式（１）及び式（２）を満たすことにより鍔部１３とアクチュエータ素子１０との離間が生じないので、これらが固定されていなくても当該アクチュエータ１は優れた性能を発揮する。
【００７８】
＜利点＞
当該アクチュエータ１は、誘電エラストマー層の面方向の変形ではなく層厚方向の変形を利用するアクチュエータ素子１０を用いているので、従来のダイヤフラム型のアクチュエータに比較して、大きな力を発生することができ、接地面積を著しく小さくできる。
【００７９】
また、当該アクチュエータ１で用いるアクチュエータ素子１０は、多層積層構造であるが、１個のアクチュエータ素子１０に対して一対の電極を設ければよいだけなので、電極と配線の結線が少なく、構造が簡単になり、容易にアクチュエータ素子を作成できる。例えば、従来の単なる積層タイプを１００層重ねた構造のアクチュエータ素子を考えると、電極数も１００となり、これを結線してアクチュエータを構成することは実際上困難である。
【００８０】
また、コイルバネ１７によって作用する弾性力がアクチュエータ素子１０の収縮に加算される向きに働くので、コイルバネ１７によってアクチュエータ素子１０の変形速度を速めている。
【００８１】
また、アクチュエータ素子１０の圧縮率β１を大きくした状態で各部材をケーシング１４内に収納するので、コイルバネ１７のバネ定数ｋｂを大きくでき、これによりアクチュエータ素子１０が層厚方向に収縮した場合のコイルバネ１７によって作用する弾性力を大きくできる。従って、仮に外部から大きな負荷がかかった場合でも、コイルバネ１７の収縮が起こりにくく、ロッド１１の下端とアクチュエータ素子１０間が離間することが起こりにくく、当該アクチュエータ１の信頼性が高まる。
【００８２】
また、アクチュエータ素子１０の圧縮率β１を大きくしてコイルバネ１７のバネ定数ｋｂを高めているので、アクチュエータ素子１０の収縮力よりも大きなコイルバネ１７によってアクチュエータ素子１０を収縮させる向きへ作用する弾性力、又はアクチュエータ素子１０の収縮力に近い、コイルバネ１７によってアクチュエータ素子１０を収縮させる向きへ作用する弾性力を確保できる。これにより、ロッド１１の下端とアクチュエータ素子１０を接着する必要もなくなり、組立てしやすく信頼性の高い当該アクチュエータ１の提供が可能になる。
【００８３】
また、誘電エラストマー層１２０として絶縁性の高いアクリルゴムやウレタンゴムを使用することで、大きな電圧を付与でき、当該アクチュエータ１の変位量を大きくすることができる。
【００８４】
また、当該アクチュエータ１は、一対の可撓性シート１００が、略直角に交差して重ね合わされているので、一対の可撓性シート１００の重ね合わされる面積を大きくすることができ、誘電エラストマー層１２０が変形する領域が広くなり、収縮量及び収縮力が大きい。
【００８５】
当該アクチュエータ１は、比較的大きな力を発生することができるので、大きな荷重を繰り返し発生することを要求される用途、例えば、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉や、上下運動を回転運動に変えて、モーターを回転させるポリマーエンジン、バイブレーターなど、従来のモーター等機械式アクチュエータが用いられていた用途を代替できる。また、当該アクチュエータ１は、比重が小さなエラストマーの収縮、膨張を利用するので、軽量で騒音も小さい。
【００８６】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態の他、種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
【００８７】
つまり、上記実施形態の当該アクチュエータ１は、弾性部材としてアクチュエータ素子１０を圧縮する向きに弾性力を作用させるコイルバネ１７を用いる構成について説明したが、アクチュエータ素子１０を伸長する向きに弾性力を作用させるコイルバネを設ける構成としてもよい。この場合、アクチュエータ素子による復元力が補強されるので、ロッドへの伸長力の伝達が安定する。
【００８８】
また、コイルバネ１７などの弾性部材を設けない構成としてもよい。例えば、ロッド１１を所定以上の重量を有する構成とすることで、アクチュエータ素子１０の収縮時には、ロッド１１の自重によってロッド１１は下方へ移動することができる。また、ロッド１１に接続される相手部材からアクチュエータ素子１０を圧縮する向きへ負荷がかかる構成で相手部材が接続されている場合には、コイルバネ１７のような弾性部材を設ける必要がない。
【００８９】
また、上記実施形態においては、電極層１１０の両面に配置される一対の誘電エラストマー層１２０が同一厚みのものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一対の誘電エラストマー層１２０の厚みが異なるものも本発明の意図する範囲内である。なお、この場合には、一対の上記誘電エラストマー層１２０の平均厚みの合計の下限値としては２０μｍが好ましく、４０μｍがより好ましい。また、一対の上記誘電エラストマー層１２０の平均厚みの合計の上限値としては３００μｍが好ましく、１４０μｍがより好ましい。上記下限値未満であると、誘電エラストマー層１２０が薄くなり過ぎ、誘電エラストマー層１２０が絶縁破壊するおそれが生ずるとともに、アクチュエータ素子１０の高さ（折り畳み方向の長さ）を十分なものとするために当該可撓性シート１００の積層数が多くなり過ぎ、製造コストの増大を招くおそれがある。一方、上記上限値を超えると、アクチュエータ素子１０の変形に要する電圧が大きくなるので、好ましくない。
【００９０】
また、上記実施形態においては、当該アクチュエータ１に用いるアクチュエータ素子１０として一対の可撓性シート１００を折り畳んだものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば二対の可撓性シートを折り畳んだアクチュエータ素子を採用することも可能であり、具体的には各可撓性シートを略４５°で交差させて重ね合せ、交互に蛇腹状に折り畳んだアクチュエータ素子を採用することも可能である。
【００９１】
また、上記実施形態においては、アクチュエータ素子１０を形成する可撓性シート１００として、電極層１１０の両面に一対の誘電エラストマー層１２０が積層されている三層構造のシートを用いるものについて説明したが、電極層１１０の片面側にのみ誘電エラストマー層１２０が形成された構成の可撓性シートを用いてもよい。
【００９２】
また、２層以上の電極層１１０や３層以上の誘電エラストマー層１２０を有する４層以上で構成される可撓性シートを用いて折り畳み、アクチュエータ素子を構成してもよい。
【００９３】
また、穿孔１８の内周部にスラストベアリングなどの軸受を設けて、ロッド１１のアクチュエータ素子１０の伸縮方向への移動を許容しながらロッド１１の軸部１２を支持する構成とするのが好ましい。すなわち、上記ケーシング１４が、ロッド１１の軸部１２を挿通する穿孔１８が設けられたケーシング本体１５と、その穿孔１８に付設され、アクチュエータ素子１０の伸縮方向のロッド１１の往復移動を許容しつつロッド１１を支持する軸受とを有する構成とするのが好ましい。穿孔１８の内周部にスラストベアリングなどの軸受を設けることにより、ロッド１１の突出時及び没入時の摺動抵抗が小さくなり、耐久性が向上する。また、穿孔１８の内周部に軸受を設ける代わりに、穿孔１８の内周部を自己潤滑性を有する樹脂で構成してもよい。
【００９４】
また、ロッド１１がアクチュエータ素子１０の伸縮方向以外の方向へぶれることなく伸縮方向へ精度よく往復移動できるように、ケーシング本体部１５上面の穿孔１８の部分を肉厚の構成としたり、穿孔１８の上部にロッド１１の軸部１２を案内する部材を取り付けることも好ましい。
【００９５】
また、上記実施形態においては、当該アクチュエータ１のアクチュエータ素子１０として、伸縮方向の両端部が誘電エラストマー層１２０となっている構成について説明したが、伸縮方向の端部に他の部材との接続用の部材を備えたアクチュエータ素子を用いてもよい。図７のアクチュエータ素子１１は、折り畳まれた可撓性シート１００の伸縮方向の両端部に、板状の第一剛性部材３０及び第二剛性部材３１を設けている。
【００９６】
このアクチュエータ素子１１は、軟質の誘電エラストマー層１２０の面ではなく、硬質の第二剛性部材３１の面によってケーシング１４の下板部１６に固定されるので、より安定したアクチュエータ素子１０の伸縮動作を実現できる。また、ロッド１１端部の鍔部１３に対しても硬質の第一剛性部材３０の面によって当接するので、ロッド１１もアクチュエータ素子１１の伸縮方向に沿ってより安定して往復移動する。
【００９７】
なお、図７に示すアクチュエータ素子１１を用いる場合においても、アクチュエータ素子１１上端の第一剛性部材３０を、ロッド１１端部の鍔部１３に固定する構成としてもよいし、ロッド１１端部の鍔部１３とは固定しない構成としてもよい。
【００９８】
また、上記実施形態においては、当該アクチュエータ１に１つのアクチュエータ素子１０を備える構成について説明したが、アクチュエータ素子１０を複数備える構成のアクチュエータも、本発明の意図する範囲内である。例えば、１つのロッド１１に対して、複数のアクチュエータ素子１０を並列させて構成することにより、当該アクチュエータの駆動力を大きくすることができる。
【００９９】
また、可撓性シートの伸縮方向に複数のアクチュエータ素子１０を直列に重ねる構成とすることにより、当該アクチュエータの駆動量を大きくすることができる。例えば、電極層１１０の両面に積層された誘電エラストマー層１２０の厚みをそれぞれ５０μｍとし、電極の厚みが実質的にはゼロの場合には、電極数を基準にした交互積層数を１００とすると高さが１０ｍｍのアクチュエータ素子１０となる。高さが１０ｍｍのアクチュエータ素子では、アクチュエータ素子の変形率を１５％とすると１．５ｍｍの変形が可能となる。高さが１０ｍｍのアクチュエータ素子をＭ個積み重ねると１．５Ｍｍｍの変形が可能となる。なお、このときの電極数は２Ｍ個となる。
【実施例】
【０１００】
以下、実施例によって当該発明をさらに具体的に説明するが、当該発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【０１０１】
以下の方法により、実施例に用いるアクチュエータ素子を作成した。
（１）液状のウレタンゴムに可塑剤を添加した混合液を、離型表面処理が施されたＰＥＴフィルム上にコーターを用いてコーティングし、熱処理して５０μｍ厚みの誘電エラストマー層を形成した。
（２）上記誘電エラストマー層の表面に、離型表面処理が施された幅２ｍｍのＰＥＴフィルムを１２ｍｍピッチで貼り付け、電極層を形成しない部分をマスキングした。
（３）水とエチルアルコールとの混合液体中に、高圧ジェットミルで単層カーボンナノチューブ（平均直径：１ｎｍ）を単独で分散させた分散液（ＣＮＴの濃度は５質量％）を、上記のマスキングした誘電エラストマー層の表面にスプレーコーティングして電極層を形成した。
（４）電極層を形成した誘電エラストマー層の表面に張り付けられたマスキングを剥がし、電極層及び誘電エラストマー層の表面に、ＰＥＴフィルム上に形成した他の誘電エラストマー層を積層し、圧着した。
（５）電極層が幅方向の中央に成るようにして、電極層と誘電エラストマー層との積層体を１２ｍｍ幅に切断し、帯状の可撓性シートを形成した。可撓性シートの長さは、８００ｍｍとした。
（６）上記可撓性シートを一対作成し、この一対の可撓性シートを、ＰＥＴフィルムを剥がしながら交差して重ねあわせ、交互に蛇腹状に１３ｍｍ間隔で折り畳んでアクチュエータ素子を作成した。一対の可撓性シートでの積層数の合計は、１００層とした。アクチュエータ素子の表面中央部分での厚みは１０．１〜１０．２ｍｍであった。アクチュエータ素子が作用する有効面積（一対の可撓性シートで電極層が重なる面積）は１００ｍｍ２であった。また、投影面積は１６９ｍｍ２（１．６９ｃｍ２）であった。このようにして作成したアクチュエータ素子を、試料１の交互折り畳み構造のアクチュエータ素子とした。
【０１０２】
試料２として、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すダイヤフラム型のアクチュエータ素子を作成した。
【０１０３】
上記の交互折り畳み構造のアクチュエータ素子に用いた誘電エラストマーの形成材料を用いてＰＥＴフィルム上に５０μｍ厚みのフィルムを作成し、これを２枚密着して１００μｍの誘電エラストマー膜１３０とした。そして、単層ＣＮＴを水／エチルアルコール混合液体中に単独で分散した分散液を誘電エラストマー膜１３０の両面にスプレーコーティングして、誘電エラストマー膜１３０の両面に電極１３１を形成して伸縮隔膜１３６を作成した。そして、平面視リング形状の伸縮隔膜１３６の円周縁を第１固定部１３３に固定し、伸縮隔膜１３６の中心部に第２固定部１３４を固定して、ダイヤフラム型のアクチュエータ素子を得た。
【０１０４】
伸縮隔膜１３６の外周径を８０ｍｍとし、内周径を５０ｍｍとした。このダイヤフラム型のアクチュエータ素子の投影面積は３０．６ｃｍ２であり、これは、試料１の交互積層型のアクチュエータ素子の投影面積１．６９ｃｍ２に比べて格段に大きい。
【０１０５】
図９に、試料１の交互積層型アクチュエータ素子及び試料２のダイヤフラム型のアクチュエータ素子についての、変位と荷重の関係を測定した結果を示す。
【０１０６】
図９の測定結果より、試料１の交互積層型のアクチュエータ素子は試料２のダイヤフラム型のアクチュエータ素子に比較して、小さな投影面積で大きな力を発生できることがわかる。
【０１０７】
図９において、試料１の交互積層型のアクチュエータ素子における変位と荷重との関係は、１．５ｍｍの変位（圧縮率１５％）までは略直線を示している。変位１ｍｍ（変形率１０％）の荷重は８．６Ｎであるので、このアクチュエータ素子のバネ定数を８．６Ｎ／ｍｍとみなした。
【０１０８】
上記の試料１として用いたアクチュエータ素子を用いて、表１の実施例１〜実施例１３に示す仕様のアクチュエータを製作した。コイルバネには市販されているものを使用し、表１におけるコイルバネの特性についてはカタログ値を記載した。なお、表１において「組立時」とは、図６（Ｂ）に示す状態であり、アクチュエータを組立てた後に電圧を印加していない状態を言う。表２についても同様である。なお、ここでは、ロッドに対してアクチュエータ素子が収縮する向きに作用する力を「没入力」と呼んでいる。
【表１】
2014217238.tif 000003
【０１０９】
実施例１〜実施例６は、電圧無印加時におけるアクチュエータ素子の圧縮率β１による特性への影響を確認するために、（ｋｓ・ε／ｋｂ）を略１０としてβ１の値を変化させた。実施例７〜実施例１３は、（ｋｓ・ε／ｋｂ）の値による特性への影響を確認するためにβ１を１０として（ｋｓ・ε／ｋｂ）の値を変化させた。
【０１１０】
実施例１〜実施例６の結果より、β１の値が小さすぎると、アクチュエータ素子が収縮したときのコイルバネにより作用する弾性力を大きくできないので、没入力を大きくできても大きな負荷がかかった場合にコイルバネがその負荷に抗する力を発揮できないので、アクチュエータ素子の上端とロッドの下端が固定されていない場合には、大きな力を外部に与えることができなくなることがわかる。また、実施例７〜実施例１３の結果より、β１の値を１０％と大きくしても、ｋｓ・ε／ｋｂの値が小さい（つまり、コイルバネのバネ定数ｋｂが大きい）と、没入力とアクチュエータ素子収縮時のコイルバネにより作用する弾性力との差が乖離してしまうことがわかる。つまり、このときにはアクチュエータ素子の収縮力を有効に活用できない。
【０１１１】
次に、上記試料１のアクチュエータ素子を用いて、異なるコイルバネを使用した５つのアクチュエータを製作した。表２に、実施例１４〜１８としてこれらの５つのアクチュエータを示す。各アクチュエータには、市販品のコイルバネを使用した。各実施例のアクチュエータは、何れもアクチュエータ素子及びロッド間は接着せずに、圧縮状態のみで組立てを行った。
【表２】
2014217238.tif 000004
【０１１２】
各アクチュエータの評価として、電圧変位特性の測定と重り持ち上げ試験を行った。
【０１１３】
アクチュエータに電圧を印加しない状態でのロッド先端位置を基準位置とし、電圧を印加した場合のロッド先端の位置をレーザー変位計で測定して電圧変位特性を評価した。
【０１１４】
重り持ち上げ試験においては、図１０に示すように、アクチュエータのロッドの上端を天秤のアーム１４１の一端に取り付け、アーム１４１の他端に重り１４０を取り付けて、アクチュエータ素子の電極に最高５Ｖまで電圧を印加し、重り１４０を吊り上げることができたかどうかを評価した。天秤のアーム１４１の支点を基準とした長さをＬ１：Ｌ２＝１：３とし、重り１４０を吊り上げるアーム１４１の他端側の荷重を小さくできるようにした。
【０１１５】
電圧変位特性の測定及び重り持ち上げ試験における各アクチュエータ素子の評価結果を表３に示す。
【表３】
2014217238.tif 000005
【０１１６】
実施例１４〜１８のアクチュエータは、電圧と変位の関係ではいずれも略同等の結果を示したのに対し、重り持ち上げ試験では、実施例１５〜１７のアクチュエータは重い重りを持ち上げることができた。なお、図５のような天秤を用いる構成にすれば、アクチュエータ素子の変位を増幅することができる。
【０１１７】
また、実施例１４〜１８のアクチュエータは、５０Ｈｚという大きな周波数でも駆動でき、優れた応答性を示した。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明のアクチュエータは、ダイヤフラム型のアクチュエータ素子を用いたアクチュエータよりも大きな力を発生できるので、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉や、ポリマーエンジン、バイブレーター等の幅広い分野に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１  アクチュエータ
１０、１１  アクチュエータ素子
１１  ロッド
１２  軸部
１３  鍔部
１４  ケーシング
１５  ケーシング本体部
１６  下板部
１７  コイルバネ
１８  穿孔
２０  導線
３０  第一剛性部材
３１  第二剛性部材
４０  制御回路
１００  可撓性シート
１１０  電極層
１１１  接続部
１２０  誘電エラストマー層
１２１  袖部
１３０  誘電エラストマー膜
１３１  電極
１３２  レーザー変位計
１３３  第一固定部
１３４  第二固定部
１３５  電極結線部
１３６  伸縮隔膜
１４０  重り
１４１  アーム
【図１】
2014217238.tif 000006
【図２】
2014217238.tif 000007
【図３】
2014217238.tif 000008
【図４】
2014217238.tif 000009
【図５】
2014217238.tif 000010
【図６】
2014217238.tif 000011
【図７】
2014217238.tif 000012
【図８】
2014217238.tif 000013
【図９】
2014217238.tif 000014
【図１０】
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