(57)【要約】【課題】駆動電圧を抑えつつ自然の筋肉の動作方向と同じ方向の変位量を得ることが可能な、強度の高いアクチュエーターを提供する。【解決手段】本発明のアクチュエーターは、正の電圧が印加される第１の電極１１と、負の電圧が印加される第２の電極１２と、第１の電極１１と第２の電極１２との間に挟持された誘電エラストマー１３と、を有し、第１の電極１１と第２の電極１２とが誘電エラストマー１３を介して交互に複数配置された積層構造を有することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正の電圧が印加される第１の電極と、
負の電圧が印加される第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟持された誘電エラストマーと、を有し、
前記第１の電極と前記第２の電極とが前記誘電エラストマーを介して交互に複数配置された積層構造を有することを特徴とするアクチュエーター。
【請求項２】
前記第１の電極、前記第２の電極が伸縮性を有することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエーター。
【請求項３】
前記第１の電極、前記第２の電極には、それぞれ伸縮性を有する第１の配線、第２の配線が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエーター。
【請求項４】
前記第１の配線、前記第２の配線は、それぞれ前記第１の電極、前記第２の電極と同じ材料で形成されていること特徴とする請求項３に記載のアクチュエーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエーターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体の筋肉組織を工学的に模倣することを目指して、電場駆動型高分子ソフトアクチュエーター（人工筋肉）の開発が盛んに行われている。このアクチュエーターは、誘電エラストマーが２つの柔軟な電極で挟まれた構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このアクチュエーターの動作原理について説明する。誘電エラストマーに電圧が印加されると、電極間に発生するクーロン力により電極同士が引きつけ合う。すると、誘電エラストマーは弾性変形により電極に対して垂直方向（膜厚方向）に圧縮し、電極に対して水平方向（平面方向）に伸長する。膜厚方向、平面方向の２つの変位のうち、膜厚方向の圧縮変位はごくわずかであるため、アクチュエーターとして利用するときは平面方向の伸長変位が利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００６−５２０１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、平面方向の伸長変位は、電気刺激に対して収縮する方向でないため、自然の筋肉の動作方向と反対の方向となる。また、自然の筋肉の動作方向と同じ方向の変位量を得るために誘電エラストマーの膜厚を大きくする方法があるが、駆動電圧をＶ、誘電エラストマーの膜厚をｄとすると変位量の絶対値はＶ３／ｄ２に比例するため、非常に高い駆動電圧が必要となり実用的ではない。また、誘電エラストマーを薄くすることにより駆動電圧を低くすることができるが、アクチュエーターの強度が低下してしまう惧れがある。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、駆動電圧を抑えつつ自然の筋肉の動作方向と同じ方向の変位量を得ることが可能な、強度の高いアクチュエーター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】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明のアクチュエーターは、正の電圧が印加される第１の電極と、負の電圧が印加される第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟持された誘電エラストマーと、を有し、前記第１の電極と前記第２の電極とが前記誘電エラストマーを介して交互に複数配置された積層構造を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明のアクチュエーターによれば、各電極間（第１の電極と第２の電極との間）に電圧が印加されると、各誘電エラストマーが弾性変形により電極に対して垂直方向（膜厚方向）に圧縮し、電極に対して水平方向（平面方向）に伸長する。つまり、アクチュエーター全体の圧縮変位量は、各電極の圧縮変位量と各誘電エラストマーの圧縮変位量とを足し合わせた大きさとなる。このため、駆動電圧（印加電圧）をＶ、誘電エラストマーの膜厚をｄとすると変位量の絶対値はＶ３／ｄ２に比例することから、単に誘電エラストマーの膜厚を厚くした場合に比べて積層構造とすることで同じ駆動電圧に対して膜厚方向の変位量を大きくすることができる。したがって、駆動電圧を抑えつつ自然の筋肉の動作方向と同じ方向の変位量を得ることが可能な、強度の高いアクチュエーターが提供できる。
【０００９】
また、このアクチュエーターにおいては、前記第１の電極、前記第２の電極が伸縮性を有していてもよい。
この構成によれば、各電極が各誘電エラストマーの弾性変形に追従して柔軟に変形（圧縮、伸長）することができる。したがって、駆動電圧を抑えつつ自然の筋肉の動作方向と同じ方向の変位量を容易に得ることが可能となる。
【００１０】
また、このアクチュエーターにおいては、前記第１の電極、前記第２の電極には、それぞれ伸縮性を有する第１の配線、第２の配線が接続されていてもよい。
この構成によれば、各電極が各配線に変形を阻害されることなく柔軟に変形することができる。したがって、駆動電圧を抑えつつ自然の筋肉の動作方向と同じ方向の変位量を容易に得ることが可能となる。
【００１１】
また、このアクチュエーターにおいては、前記第１の配線、前記第２の配線は、それぞれ前記第１の電極、前記第２の電極と同じ材料で形成されていてもよい。
この構成によれば、各電極と各配線との間の接続性が向上するので、この接続部が各誘電エラストマーの弾性変形に追従して柔軟に変形することができる。したがって、駆動電圧を抑えつつ自然の筋肉の動作方向と同じ方向の変位量を容易に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のアクチュエーターの概略構成を示す模式図である。
【図２】アクチュエーターの電圧印加後の状態を示す図である。
【図３】アクチュエーターの作製方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。
【００１４】
図１は、本発明のアクチュエーター１の概略構成を示す模式図である。本実施形態ではアクチュエーター１の例として、電場駆動型高分子ソフトアクチュエーター（人工筋肉）を挙げて説明する。図１に示すように、アクチュエーター１は、第１の電極１１と、第２の電極１２と、誘電エラストマー１３と、第１の配線２１と、第２の配線２２と、を具備して構成されている。
【００１５】
第１の電極１１は、正の電圧が印加される電極である。この第１の電極１１は、誘電エラストマー１３の弾性変形に追従して、誘電エラストマー１３と同じように伸長するように伸縮性を有している。つまり、第１の電極１１は、電圧印加前後において誘電エラストマー１３と同じように平面方向に伸長する。なお、第１の電極１１の膜厚は、例えば０．０１〜０．５μｍの範囲に設定するのがよい。
【００１６】
第１の電極１１の形成材料としては、例えば導電性グリス、コロイド懸濁液、カーボンブラック、金や銀などの金属、イオン的または電子的に導電性を有するポリマーを用いることができる。導電性グリスとしては、例えばサンハヤト株式会社製のコンタクトグリースが挙げられる。カーボンブラックとしては、例えば三菱化学株式会社製のカーボンブラックパウダーやライオン株式会社製のケッチェンブラックＥＣが挙げられる。なお、カーボンブラックや金属を用いるときは、薄膜状に形成したり、ゲルやポリマーと混合したりすることが望ましい。これにより、カーボンブラックや金属を用いる場合でも、第１の電極１１はある程度の伸縮性を有するようになる。
【００１７】
第２の電極１２は、負の電圧が印加される電極である。この第２の電極１２は第１の電極１１と同様に伸縮性を有している。第２の電極１２の形成材料としては、上述した第１の電極１１と同様に、例えば導電性グリス、コロイド懸濁液、カーボンブラック、金属、導電性を有するポリマーを用いることができる。なお、第１の電極１１の膜厚は、、例えば０．０１〜０．５μｍの範囲に設定するのがよい。
【００１８】
誘電エラストマー１３は、第１の電極１１と第２の電極１２に挟まれている。この誘電エラストマー１３は、第１の電極１１と第２の電極１２との間に電圧が印加されると、弾性変形により電極に対して垂直方向（膜厚方向）に圧縮し、電極に対して水平方向（平面方向）に伸長する。このとき、誘電エラストマーを挟んだ電極間に発生する応力σは、式σ＝ε０εＥ２で表され、電界強度の２乗に比例する。ここで、ε０は真空の誘電率、εは比誘電率、Ｅは電界強度である。なお、誘電エラストマー１３の膜厚は、例えば０．０１〜０．５ｍｍの範囲に設定するのがよい。
【００１９】
誘電エラストマー１３の形成材料としては、絶縁性のポリマーまたはラバーを用いることができる。ポリマーとしては、例えばシリコンエラストマー、アクリルエラストマー、熱可塑性エラストマー、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を含む共重合体、フッ化エラストマー、シリコーン成分及びアクリル成分を含むポリマーを用いることができる。ラバーとしては、例えばシリコーンゴムやアクリルゴム、ウレタンゴムを用いることができる。シリコーンゴムとしては、例えば東レ・ダウコーニング株式会社製のＳＥ９１８８が挙げられる。アクリルゴムとしては、例えばエーモン工業株式会社製のＮ９１５が挙げられる。ウレタンゴムとしては、例えば株式会社エクシールコーポレーション製のハイパーゲルシートが挙げられる。
【００２０】
第１の配線２１は、電源に接続された１つの主配線部２１ａと、主配線部２１ａから複数枝分かれした副配線部２１ｂと、を有している。各副配線部２１ｂは、それぞれ各第１の電極１１に接続されている。第１の配線２１の形成材料としては、上述した第１の電極１１と同様に、例えば導電性グリス、コロイド懸濁液、カーボンブラック、金属、導電性を有するポリマーを用いることができる。また、第１の配線２１は、上述した第１の電極１１と同様に、伸縮性を有している。
【００２１】
第２の配線２２は、電源に接続された１つの主配線部２２ａと、主配線部２２ａから複数枝分かれした副配線部２２ｂと、を有している。各副配線部２２ｂは、それぞれ各第２の電極１２に接続されている。第２の配線２２の形成材料としては、上述した第２の電極１２と同様に、例えば導電性グリス、コロイド懸濁液、カーボンブラック、金属、導電性を有するポリマーを用いることができる。また、第２の配線２２は、上述した第２の電極１２と同様に、伸縮性を有している。
【００２２】
アクチュエーター１は、第１の電極１１と第２の電極１２とが誘電エラストマー１３を介して交互に複数配置された積層構造となっている。具体的には、第１の電極１１、誘電エラストマー１３、第２の電極１２、誘電エラストマー１３、第１の電極１１、誘電エラストマー１３、第２の電極１２の順に直列に積層された構造となっている。これにより、アクチュエーター１の積層方向の厚さは、例えば０．１〜５ｍｍの範囲になっている。なお、これら第１の電極１１、誘電エラストマー１３、第２の電極１２を積層する数については特に限定されず、必要に応じて適宜設定することができる。
【００２３】
図２は、アクチュエーター１の電圧印加前後の状態を示す図である。図２（ａ）は電圧印加前の状態、図２（ｂ）は電圧印加後の状態を示している。なお、図２においては、便宜上配線及び電源の図示を省略している。
【００２４】
図２に示すように、アクチュエーター１は、第１の電極１１と第２の電極１２とが誘電エラストマー１３を介して交互に複数配置されて円柱形状になっている。各電極間（第１の電極１１と第２の電極１２との間）に電圧が印加されると、各誘電エラストマー１３が弾性変形により電極に対して垂直方向（膜厚方向）に圧縮し、電極に対して水平方向（平面方向）に伸長する。つまり、アクチュエーター１全体の圧縮変位量は、各電極の圧縮変位量と各誘電エラストマーの圧縮変位量とを足し合わせた大きさとなる。このため、駆動電圧（印加電圧）をＶ、誘電エラストマーの膜厚をｄとすると変位量の絶対値はＶ３／ｄ２に比例することから、単に誘電エラストマーの膜厚を厚くした場合に比べて積層構造とすることで同じ駆動電圧に対して膜厚方向の変位量を大きくすることができる。また、駆動電圧を低くするために各誘電エラストマーの膜厚を薄くした場合でも、積層構造とすることでアクチュエーターの強度を高くすることができる。
【００２５】
なお、アクチュエーター１の形状は円柱形状に限らない。例えば立方体形状など、第１の電極と第２の電極とが誘電エラストマーを介して交互に複数配置されていればどのような形状でもよい。
【００２６】
（アクチュエーターの作製方法）
次に、本発明のアクチュエーター１の作製方法について一例を挙げて説明する。
図３は、アクチュエーター１の作製方法の一例を示した図である。先ず、フィルム状の誘電エラストマー１３を用意する。次に、誘電エラストマー１３上面に第１の電極１１を例えばスピンコート法を用いて形成する。これと同様に、誘電エラストマー１３上面に第２の電極１２を例えばスピンコート法を用いて形成する。次に、誘電エラストマー１３上の第１の電極１１の一端面に絶縁性のマスク（第１のマスク１４）を形成する。これと同様に、誘電エラストマー１３上の第２の電極１２の一端面（第１のマスク１４が形成された側と反対の側）に絶縁性のマスク（第２のマスク１５）を形成する。なお、これら絶縁性のマスク１４，１５は、各電極の少なくとも端面に形成されていれば各電極の上面に形成されていてもよい。
【００２７】
次に、第１の電極１１が形成された誘電エラストマー１３と第２の電極１２が形成された誘電エラストマー１３とを重ね合わせて積層する。このとき、第１の電極１１の一端面に形成された第１のマスク１４と第２の電極１２の一端面に形成された第２のマスク１５とが隣接しないように配置する。次に、第１の電極１１の他端面（第１のマスク１４が形成されていない側）であり、かつ、第２の電極１２の一端面（第２のマスク１５が形成された側）に第１の配線２１を形成する。このとき、第２の電極１２の一端面には第２のマスク１５が形成されているので、第２の電極１２と第１の配線２１とは第１の配線２１を介して導通することがない。つまり、第１の配線２１は第１の電極１１と選択的に導通される。これと同様に、第２の電極１２の他端面（第１のマスク１５が形成されていない側）であり、かつ、第１の電極１１の一端面（第１のマスク１４が形成された側）に第２の配線２２を形成する。以上の工程により、本発明のアクチュエーター１が作製される。
【００２８】
本発明のアクチュエーター１によれば、各電極間（第１の電極１１と第２の電極１２との間）に電圧が印加されると、各誘電エラストマー１３が弾性変形により電極に対して垂直方向（膜厚方向）に圧縮し、電極に対して水平方向（平面方向）に伸長する。つまり、アクチュエーター１全体の圧縮変位量は、各電極の圧縮変位量と各誘電エラストマーの圧縮変位量とを足し合わせた大きさとなる。このため、駆動電圧（印加電圧）をＶ、誘電エラストマーの膜厚をｄとすると変位量の絶対値はＶ３／ｄ２に比例することから、単に誘電エラストマーの膜厚を厚くした場合に比べて積層構造とすることで同じ駆動電圧に対して膜厚方向の変位量を大きくすることができる。したがって、駆動電圧を抑えつつ自然の筋肉の動作方向と同じ方向の変位量を得ることが可能な、強度の高いアクチュエーター１が提供できる。
【００２９】
また、この構成によれば、第１の電極１１、第２の電極１２が伸縮性を有しているので、各電極１１，１２が各誘電エラストマー１３の弾性変形に追従して柔軟に変形（圧縮、伸長）することができる。
【００３０】
また、この構成によれば、第１の電極１１、第２の電極１２には、それぞれ伸縮性を有する第１の配線２１、第２の配線２２が接続されているので、各電極１１，１２が各配線２１，２２に変形を阻害されることなく柔軟に変形することができる。
【００３１】
また、この構成によれば、第１の配線２１、第２の配線２２がそれぞれ第１の電極１１、第２の電極１２と同じ材料で形成されているので、各電極１１，１２と各配線２１，２２との間の接続性が向上するので、この接続部が各誘電エラストマー１３の弾性変形に追従して柔軟に変形することができる。したがって、駆動電圧を抑えつつ自然の筋肉の動作方向と同じ方向の変位量を容易に得ることが可能となる。
【００３２】
また、本発明のアクチュエーターは、例えばパワードスーツに用いられるソフトアクチュエーターにおいても適用可能である。本発明のアクチュエーターによれば、膜厚方向の変位量（圧縮変位量）と平面方向の変位量（伸長変位量）との２方向の変位量を得ることが可能となる。このため、圧縮変位量を得ることができるものと伸長変位量を得ることができるものとを組み合わせた構造よりも、コンパクトなソフトアクチュエーターが提供できる。
【符号の説明】
【００３３】
１…アクチュエーター、１１…第１の電極、１２…第２の電極、１３…誘電エラストマー、２１…第１の配線、２２…第２の配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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