(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電エラストマー材料からなるフィルムと，
前記フィルムの第１の面に形成された伸縮性を有する第１の電極と，
前記フィルムの第２の面に形成された伸縮性を有する第２の電極とを有し，
前記第１の電極に，ジュール加熱のための電流を流す配線を流す配線が接続されており，前記第１の電極と前記第２の電極間への電圧印加により前記フィルムが圧縮されるように変形するアクチュエータと，
前記アクチュエータの変形を外部負荷の移動に利用するために前記アクチュエータに固定された一対の固定具と，
を有し、
前記一対の固定具は前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧を印加したとき前記フィルムが伸長する方向の両端にそれぞれ固定され，前記伸長方向の負荷を前記一対の固定具間に常時作用させるための押しバネが設けられていることを特徴とするアクチュエータモジュール。
【請求項２】
請求項１記載のアクチュエータモジュールにおいて，第１の面に前記第１の電極が形成され第２の面に前記第２の電極が形成されたフィルムが膜厚方向に複数積層され，隣接するフィルム間で前記第１の電極と前記第２の電極を交互に共用していることを特徴とするアクチュエータモジュール。
【請求項３】
請求項１記載のアクチュエータモジュールにおいて，第１の面に前記第１の電極が形成され第２の面に前記第２の電極が形成されたフィルムが膜厚方向に複数積層され，隣接するフィルム間で前記第１の電極と前記第２の電極を交互に共用しており，前記一対の固定具は，前記フィルムの積層方向の下端と上端に固定されていることを特徴とするアクチュエータモジュール。
【請求項４】
誘電エラストマー材料からなるフィルムと，
前記フィルムの第１の面に形成された伸縮性を有する第１の電極と，
前記フィルムの第２の面に形成された伸縮性を有する第２の電極とを有し，
前記第１の電極に，ジュール加熱のための電流を流す配線を流す配線が接続されており，前記第１の電極と前記第２の電極間への電圧印加により前記フィルムが圧縮されるように変形するアクチュエータと，
前記アクチュエータに固定され，前記アクチュエータの変形を外部負荷の移動に利用するための一対の固定具と，
前記第１の電極の前記配線に接続され前記ジュール加熱のための電流を供給する第１の電源と，
前記第２の電極にアクチュエータ動作のための電圧を印加する第２の電源と，
前記第１の電源及び前記第２の電源を制御するコントローラと，
を有し、
前記コントローラは，前記第１の電源から前記第１の電極に第１の電圧を印加したときの電流値から前記第１の電極の温度を見積もり，前記見積もった温度が予め決めた所定の温度以下であれば，前記第１の電源から前記第１の電極に前記第１の電圧より高い第２の電圧を印加して前記第１の電極をジュール加熱によって前記所定の温度以上とし，その後，前記第２の電源から前記第２の電極に電圧印加してアクチュエータ動作させることを特徴とするアクチュエータシステム。
【請求項５】
請求項４記載のアクチュエータシステムにおいて，第１の面に前記第１の電極が形成され第２の面に前記第２の電極が形成されたフィルムが膜厚方向に複数積層され，隣接するフィルム間で前記第１の電極と前記第２の電極を交互に共用しており，前記一対の固定具は，前記フィルムの積層方向の下端と上端に固定されていることを特徴とするアクチュエータシステム。
【請求項６】
請求項４記載のアクチュエータシステムにおいて，前記コントローラは，前記見積もった温度に応じて前記アクチュエータ動作させるために前記第２の電源から前記第２の電極に印加する電圧を調整することを特徴とするアクチュエータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，リニアアクチュエータ，それを用いたアクチュエータモジュール及びアクチュエータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢化が世界的に進行している。それに伴い，高齢者の福祉政策や，介護問題，労働問題など様々な問題が顕在化しつつある。このような問題を解決するため，人の機能をアシストするロボットが注目されている。たとえば，装着することで下肢機能や上肢機能をアシストするロボットが報告されている。このような装着型のアシストロボットには装着性のよさや，人の意思どおりに動作することが必要である。そのため，このようなロボットに使用するアクチュエータには，制御性と軽量性の両方が必要とされる。
【０００３】
このような装着型のアシストロボットに使用可能なアクチュエータの有力な候補のひとつにＳＲＩインターナショナルが報告した誘電エラストマーアクチュエータがある（非特許文献１）。誘電エラストマーアクチュエータとは，フィルム状エラストマー材料に対し，表面と裏面に伸縮性がある電極を積層した構造のアクチュエータである。このアクチュエータは表面の電極と裏面の電極に電圧を印加すると，電極間にクーロン力引力が発生し，２つの電極でエラストマーフィルムを圧縮するように変形する。誘電エラストマーアクチュエータは出力エネルギー密度が高く，高速で動作するといわれており，軽量で制御性の高いアクチュエータとなる可能性がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ron Pelrine, Roy Kornbluh, Qibing Pei, Jose Joseph; High-Speed Electrically Actuated Elastomers with Strain Greater Than 100%; Science, vol.287, p.836 (2000)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
誘電エラストマーアクチュエータは，エラストマー材料のゴム弾性変形を用いて動作する。エラストマー材料の弾性率は温度に大きく依存する。そのため，エラストマー材料によっては，使用環境の温度が変わると変形特性，すなわち誘電エラストマーアクチュエータのアクチュエータ特性が変わってしまうという問題があった。特に低温環境では硬化するため，材料によっては同じ電圧を印加しても変形量が少なくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような問題を解決するため，本発明では変形させるためにエラストマーフィルムの両面に取り付けた電極の少なくとも一方をヒータとしても機能させて，アクチュエータ動作温度を制御する。すなわち，エラストマーフィルムを変形させるための電極の一方の端から他方の端まで電流を流すことによりジュール熱を発生させ，ヒータとして使用する。
【０００７】
すなわち，本発明によるアクチュエータは，誘電エラストマー材料からなるフィルムと，フィルムの第１の面に形成された伸縮性を有する第１の電極と，フィルムの第２の面に形成された伸縮性を有する第２の電極とを有し，第１の電極と第２の電極間への電圧印加によりフィルムが圧縮されるように変形するアクチュエータにおいて，第１の電極に，ジュール加熱のための電流を流す配線が接続されているものである。
【０００８】
第１の電極の上記配線には，ジュール加熱のための電流を供給する第１の電源が接続され，第２の電極にはアクチュエータ動作のための電圧を印加する第２の電源が接続される。
【０００９】
そして，第１の電源から第１の電極に第１の電圧を印加したときの電流値から第１の電極の温度を見積もり，その温度が予め決めた所定の温度以下であれば，第１の電源から第１の電極に第１の電圧より高い第２の電圧を印加して第１の電極をジュール加熱によって所定の温度以上とし，その後，第２の電源から第２の電極に電圧印加してアクチュエータ動作させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば，低温環境でも安定して動作することができる誘電エラストマーアクチュエータモジュールを提供することができる。
上記した以外の，課題，構成及び効果は，以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】従来の誘電エラストマーアクチュエータの斜視外略図。
【図１Ｂ】従来の誘電エラストマーアクチュエータの基本配線図。
【図２Ａ】本発明の誘電エラストマーアクチュエータの基本構造を表す斜視外略図。
【図２Ｂ】本発明の誘電エラストマーアクチュエータの基本配線図。
【図３】エラストマー材料の弾性率の温度依存性を示す図。
【図４】導電性微粒子のポリマーコンポジット材料の電気伝導度の導電微粒子含量依存性を示す図。
【図５】導電性微粒子のポリマーコンポジット材料の電気伝導度の温度依存性を示す図。
【図６Ａ】誘電エラストマーアクチュエータの形状の例を示す概略図。
【図６Ｂ】誘電エラストマーアクチュエータの形状の例を示す概略図。
【図６Ｃ】誘電エラストマーアクチュエータの形状の例を示す概略図。
【図７】本発明の誘電エラストマーアクチュエータを動作させるための動作フローの例を示す図。
【図８Ａ】本発明の誘電エラストマーアクチュエータの回路を表す概略図。
【図８Ｂ】本発明の誘電エラストマーアクチュエータの回路を表す概略図。
【図９Ａ】上面動作電極側から見た誘電エラストマーアクチュエータモジュールの一例の概略図。
【図９Ｂ】下面動作電極側から見た誘電エラストマーアクチュエータモジュールの一例の概略図。
【図９Ｃ】上面動作電極側から見た誘電エラストマーアクチュエータモジュールの一例の概略斜視図。
【図１０Ａ】本発明の誘電エラストマーアクチュエータモジュールの動作の一例を表す模式図であり，動作をさせる前の状態を示す図。
【図１０Ｂ】本発明の誘電エラストマーアクチュエータモジュールの動作の一例を表す模式図であり，下面動作電極の温度を測定する状態を示す図。
【図１０Ｃ】本発明の誘電エラストマーアクチュエータモジュールの動作の一例を表す模式図であり，アクチュエータ動作させた状態を示す図。
【図１１Ａ】本発明の誘電エラストマーアクチュエータモジュールの一例の動作前の状態を示す図。
【図１１Ｂ】本発明の誘電エラストマーアクチュエータモジュールの一例の伸長動作をさせた状態を示す図。
【図１２Ａ】本発明の積層型誘電エラストマーアクチュエータの概略斜視図。
【図１２Ｂ】本発明の積層型誘電エラストマーアクチュエータの配線を表す概略図。
【図１３Ａ】積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュールの変形動作前の状態を示す図。
【図１３Ｂ】積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュールの変形後の状態を示す図。
【図１４】本発明のアクチュエータを用いたシステム例を示す図。
【図１５】本発明のアクチュエータを用いたシステム例の動作例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下，図面を参照して本発明の実施の態様を説明する。
【実施例】
【００１３】
[実施例１]
実施例１では，本発明のアクチュエータの基本的な構造及び使用方法について説明する。
はじめに，アクチュエータの基本的な構造について説明する。図１Ａは従来の誘電エラストマーアクチュエータの基本構造を表す斜視概略図，図１Ｂは従来の誘電エラストマーアクチュエータの基本配線図である。
【００１４】
図１Ａに示すように，従来の誘電エラストマーアクチュエータ１００は誘電エラストマーフィルム１の両面に上面動作電極２及び下面動作電極３が取り付けられた構造を持つ。上面動作電極２には高圧電源６と接続するための上面電極配線４が，下面動作電極３には電気的に接地するための下面電極配線５が接続されている。
【００１５】
アクチュエータ動作をさせるときは，高圧電源６より上面動作電極２と下面動作電極３の間に電圧を印加する。このことにより上面動作電極２と下面動作電極３の間にクーロン引力が働き，誘電エラストマーフィルム１が変形する。この変形をアクチュエータ動作に使用する。
【００１６】
図１ＡのようにＸＹＺ軸を取った場合，上面動作電極２と下面動作電極３の間に発生するクーロン引力によるｚ方向の応力Ｐは，印加電圧Ｖを用いて次のように表わすことができる。
【００１７】
【数１】
0005705654.tif 000002
ここで，ε0は真空の誘電率，εは誘電エラストマーフィルム１の比誘電率，ｄは上面動作電極２と下面動作電極３との間の距離である。誘電エラストマーアクチュエータの場合，上面動作電極２と下面動作電極３との間の距離ｄは，誘電エラストマーフィルム１の厚さと同じである。また，この応力Ｐによるｚ方向の変形率σは，近似的に次のように表すことができる。
【００１８】
【数２】
0005705654.tif 000003
式(2)で，Ｙは誘電エラストマーフィルム１の弾性率である。
【００１９】
式(1)及び式(2)より，変形率σzは式(3)のように近似的に表すことができる。また，変形した時のエラストマーフィルムの体積が一定と考えた場合，ｘ，ｙ方向の変形率は式(4)で表すことができる。
【００２０】
【数３】
0005705654.tif 000004
【００２１】
式(3)及び式(4)式より，同じ電圧を印加しても弾性率Ｙが異なると変形率σも異なることがわかる。
【００２２】
本発明では，誘電エラストマーフィルムの材料となるエラストマー材料として，弾性率が０．１ＭＰａから１０ＭＰａ，伸び率が８０％以上の材料を使用する。エラストマー材料の弾性率の温度依存性の典型例を図３に示す。一般に，ガラス転移温度Ｔｇ付近より高温では，弾性率の小さなエラストマー特性を示し，ガラス転移温度Ｔｇ付近より低温では，弾性率が大きいガラス特性を示す。特に，ガラス転移温度Ｔｇ付近より低温では弾性率が急激に増加する。このことは，ある電圧で誘電エラストマーアクチュエータを動作させる場合，ガラス転移温度Ｔｇ付近より低温で動作させると，ガラス転移温度Ｔｇ付近より高温で動作させた時と比べ，変形率が著しく小さくなることを意味している。したがって，誘電エラストマーアクチュエータを大きく安定して動作させるには，ガラス転移温度Ｔｇより高温で弾性率の温度依存性が充分小さくなった領域で使用する必要がある。本実施例では，誘電エラストマーの温度に対する弾性率の変化が１０％以下になる温度領域でアクチュエータを使用した。
【００２３】
ガラス転移温度Ｔｇは材料種に依存する物理量である。例えば，シリコン系エラストマーではガラス転移温度Ｔｇが−５０℃以下のものが多いが，室温で弾性率が低いアクリル系エラストマーの場合，ガラス転移温度Ｔｇは０℃から−２０℃程度と室温に近いものが多い。このようなガラス転移温度Ｔｇが室温に近い誘電エラストマーアクチュエータを寒冷地で使用すると，エラストマーフィルムがガラス状態となり，変形量，すなわちアクチュエータ動作が室温で動作させた時と比べ，著しく小さくなってしまう可能性がある。
【００２４】
本発明によれば，動作電極に電流を流し，ジュール熱によりアクチュエータを内部から加熱することで，外部環境がガラス転移温度Ｔｇ以下であっても，アクチュエータ温度をガラス転移温度Ｔｇより高い設定温度以上にして，室温での使用時と同等の安定した動作をさせることができる。
【００２５】
本発明のアクチュエータの基本的な構造について，図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図２Ａは本発明の誘電エラストマーアクチュエータの基本構造を表す斜視外略図，図２Ｂは本発明の誘電エラストマーアクチュエータの基本配線図である。
【００２６】
本発明の誘電エラストマーアクチュエータ７は，図１Ａに示した従来の誘電エラストマーアクチュエータ１００と同様，誘電エラストマーフィルム１の両面に伸縮性を有する上面動作電極２及び下面動作電極３が積層された構造を持つ。上面動作電極２には高圧電源６と接続するための上面電極配線４が，下面動作電極３には電気的に接地するための下面電極配線５が接続されている。
【００２７】
従来の誘電エラストマーアクチュエータ１００と本発明の誘電エラストマーアクチュエータ７との構造の違いは，下面動作電極３をジュール熱によるヒータとしても使用するため，配線の取り出し口が下面電極配線５だけでなく，下面動作電極３の下面電極配線５と対向する位置に下面電極ヒータ配線８が設置されているところにある。下面電極ヒータ配線８には電流計１０を介して電源９が接続されている。
【００２８】
誘電エラストマーアクチュエータをガラス転移温度Ｔｇ以下の環境温度で使用する際は，下面動作電極３をヒータとして使用する。すなわち，下面電極ヒータ配線８に接続された電源９より，電気的に接地している下面電極配線５に対して電圧を印加する。これにより，下面動作電極３内に電流が流れ，下面動作電極３がジュール熱により発熱する。下面動作電極３が発熱することにより誘電エラストマーフィルム１が加熱され，ガラス転移温度Ｔｇ以上にすることができ，安定した動作が得られる。
【００２９】
このように本発明では，伸縮性を有する下面動作電極３をジュール熱によるヒータとして使用するが，ジュール熱のエネルギー率Ｗは，印加した電圧をＶ，ヒータの電気抵抗をＲとすると
【００３０】
【数４】
0005705654.tif 000005
と表わされるため，使用に適した電気抵抗値になるよう，下面動作電極３の電気伝導度を調節する必要がある。本発明では，電気伝導度の調整が容易な導電性微粒子のポリマーコンポジット材料を下面動作電極３の材料に用いる。導電性微粒子には，炭素微粒子，炭素繊維，カーボンナノチューブなどの炭素材料や，金や白金や銀などの金属材料も使用することができる。マトリクスとしてのポリマーには誘電エラストマーフィルムの変形に準じて変形する必要があるため柔軟性が必要とされる。そのため，アクリル系，シリコン系，ウレタン系，スチレン系のエラストマー材料や，シリコングリスなど高粘性材料などが使用できる。また，炭素微粒子，炭素繊維，カーボンナノチューブなどの炭素系微粒子材料単体でも下面動作電極３の材料に用いることは可能である。
【００３１】
このような導電性微粒子のポリマーコンポジット材料を用いた電極のうち，炭素微粒子とアクリル系エラストマーを用いた電極の作製方法の一例を次に記す。アクリル系エラストマーの骨格分子を有機溶剤に溶解させた溶液に炭素微粒子を加えて攪拌し，炭素微粒子ポリマーコンポジットインクを作製する。作製したインクをスクリーン印刷法で誘電エラストマー材料膜表面に印刷する。この時，スクリーン印刷のほかに，ディスペンサーやインクジェットによるパターン描画法で印刷することもできる。印刷後，有機溶剤を蒸発させるためにベークし，乾燥させることで，炭素微粒子とアクリル系エラストマーを用いた電極を作ることができる。ここでは，導電性微粒子として炭素微粒子を使用したが，炭素繊維，カーボンナノチューブなどの炭素系材料や金や白金や銀などの金属材料を用いても同様の方法で作製することができる。また，アクリル系エラストマーの代わりにシリコン系，ウレタン系，スチレン系のエラストマー材料を用いても同様に作製することができる。エラストマーの代わりにシリコングリスなどの高粘性材料を使用する場合は，印刷後特にベークをする必要はない。炭素微粒子，炭素繊維，カーボンナノチューブなどの炭素微粒子材料単体で電極を作製するときは，一度，炭素微粒子材料を溶剤に分散させた後に印刷で電極パターンを作製するか，誘電エラストマー材料膜表面に電極形状の空きパターンを有したステンシルマスクを介して直接微粒子材料を吹き付けてもよい。
【００３２】
導電性微粒子に炭素系材料を用いると，金属微粒子と比べ電極としての電気抵抗は高くなりやすいが，軽量の電極を作製することができる。マトリクスにエラストマー溶液を用いると，グリスを用いた時と比べてベーク工程が余分に必要となるが，微粒子が均一に分散した電極が作りやすい。
【００３３】
図４に，本発明で使用する導電性微粒子のポリマーコンポジット材料の典型的な電気伝導度の導電微粒子含量依存性を示す。導電微粒子含量を調整することで電気伝導度を調整できることがわかる。
【００３４】
また，このような導電性微粒子のポリマーコンポジット材料は，電気伝導度が温度依存性をもつ。図５に，導電性微粒子のポリマーコンポジット材料の典型的な電気伝導度の温度依存性を示す。温度が上がるにつれ，電気伝導度は上昇する。この性質を使用して，下面動作電極３の抵抗値を測定することで，誘電エラストマーアクチュエータの温度を見積もることができる。
【００３５】
図６Ａ〜６Ｃに，本発明の誘電エラストマーアクチュエータのいくつかを下面動作電極３側からみた形状概略図を示す。誘電エラストマーアクチュエータの形状は，図６Ａに示すような円形状だけでなく，使用するときの必要に応じて図６Ｂに示すような四角形のような多角形にしてもよい。この場合，図６Ｃに示すように，下面動作電極３の下面電極配線５と下面電極ヒータ配線８が接続されている辺に低抵抗領域１１を設けると，下面動作電極３をジュール加熱する際に，電束の分布が均一になるため下面動作電極３を均一に加熱することができ望ましい。
【００３６】
本発明の誘電エラストマーアクチュエータを動作させるための動作フローの一例を図７に示す。はじめに，下面動作電極３の抵抗値を測定し（Ｓ１１），温度を見積もる（Ｓ１２）。そして，その温度が予め設定した安定動作に必要な温度よりも低ければ（Ｓ１３），下面動作電極を加熱し誘電エラストマーアクチュエータを加熱する（Ｓ１４）。加熱後，再び下面動作電極の抵抗測定から下面動作電極温度と設定値と比較する。この工程を，下面動作電極温度が設定値より高くなるまで繰り返し，高くなったら上面動作電極に電圧を印加し，アクチュエータ動作をさせる（Ｓ１５）。
【００３７】
下面動作電極加熱後，誘電エラストマーアクチュエータを動作させる際，下面動作電極３を加熱しない，すなわち電源９より電圧を印加しないで，アクチュエータ動作をさせる方法以外に，下面動作電極３を加熱しながらアクチュエータ動作させることも可能である。その場合，アクチュエータ動作のための高圧電源６から供給される電圧値に対して，下面動作電極３を加熱するために電源９から供給される電圧値が十分の１以下程度と十分小さくなるよう，下面動作電極３の電気抵抗を調節するとよい。このようにすることで，加熱中は下面動作電極３内に電位分布が発生するが，アクチュエータ動作させる際の上面動作電極２との間の電位差と比べて充分小さくできる。従って，動作させるために上面動作電極２に電位を印加すると，２つの電極２，３間をほぼ均一に収縮させることができる。
【００３８】
また，上面動作電極２と下面動作電極３がショートしても電源９に影響を与えないように，図８Ａのように高圧電源６と上面動作電極２との間にヒューズ１３を入れる，あるいは図８Ｂのようにサージ防止回路１２をつけることが望ましい。
【００３９】
[実施例２]
実施例２では，本発明のアクチュエータを用いたアクチュエータモジュールの基本的な構造及び使用方法について説明する。
【００４０】
図９Ａ〜９Ｃは，本実施例の誘電エラストマーアクチュエータモジュールの一つの形態を示す模式図である。図９Ａは上面動作電極側から見た概略平面図，図９Ｂは下面動作電極側から見た概略平面図，図９Ｃは上面動作電極側から見た概略斜視図である。
【００４１】
誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０は，誘電エラストマーフィルム１の両面に，伸縮性を有する上面動作電極２及び下面動作電極３が設けられ，上面動作電極２には高圧電源６と接続するための上面電極配線４が，下面動作電極３には電気的に接地するための下面電極配線５が接続されている。また，下面動作電極３の下面電極配線５と下面電極ヒータ配線８が接続されている辺に，低抵抗領域１１が設けられている。また，アクチュエータ電圧印加によって誘電エラストマーフィルム１が伸長する方向の両端には，硬質の固定具２２が接続されている。固定具２２は，アクチュエータの変形を外部負荷の移動に利用するためのものである。さらに，この誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の上面電極配線４には外部配線２１が，下面電極配線５には外部配線２３が，下面電極ヒータ配線８には外部配線２４がそれぞれ接続されている。
【００４２】
図１０Ａ〜１０Ｃは，誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の動作の一例を表す模式図である。誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の外部配線２３は電気的に接地され，外部配線２４はスイッチ２５及び電流計１０を介して電源９に，外部配線２１はスイッチ２６を介して高圧電源６に接続されている。
【００４３】
誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０を動作させる前の状態では，スイッチ２５，２６ともに開いている（図１０Ａ）。次に，誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の温度を測定するため，スイッチ２５を閉じ，下面動作電極が発熱しないよう５Ｖ程度の小さな電圧を印加し，下面動作電極の抵抗を測定して温度を見積もる（図１０Ｂ）。誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の温度が安定動作可能な温度より低い場合，電源９より５０Ｖ程度の電圧を印加し，下面動作電極を加熱する。誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の温度が，安定動作可能な温度になった後，スイッチ２６を閉じ，高圧電源６から１ｋＶ程度の電圧を上面動作電極に印加することで，誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０は伸長動作する（図１０Ｃ）。
【００４４】
ガラス転移温度Ｔｇ以上でも弾性率の温度依存性が大きい材料で，正確な温度制御が必要な場合は，電源９から印加する電圧を一定温度になるよう調整する。
【００４５】
誘電エラストマーフィルム材料にガラス転移温度が０℃のアクリル系エラストマーを用いた，膜厚０．０３ｍｍ，長さ１００ｍｍ，幅２０ｍｍの誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０の場合，２０℃付近の室温環境では，高圧電源６より１ｋＶ印加したところ５０ｍｍの伸長動作をすることができた。しかし，−１０℃の動作環境で下面動作電極３を加熱せずに高圧電源６より１ｋＶ印加したところ，１ｍｍ以上の伸長動作は生じなかった。そのため，下面動作電極３を２０℃になるように電源９より５０Ｖ電圧を印加して電流を流し加熱したところ，室温と同じ５０ｍｍの伸長動作が安定して得られることができた。
【００４６】
この誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０はフィルム状であるため，伸長時に伸長方向を妨げる方向に負荷があると，フィルムが折れ曲がり，伸長動作して負荷を動かすことは難しい。誘電エラストマーアクチュエータモジュール２０では，伸長時の動作より伸長後，動作電極の電圧を下げる際に生じる収縮動作による収縮方向に発生する力を利用して負荷を動かすことが望ましいが，図１１Ａ及び図１１Ｂに示すような構造のアクチュエータモジュールを用いれば，収縮時だけでなく，伸長時の変形動作でも外部の負荷を移動させることができる。
【００４７】
図１１Ａ，図１１Ｂに，伸長時の変形動作でも外部の負荷を移動させることができる誘電エラストマーアクチュエータモジュールの概略図を示す。この誘電エラストマーアクチュエータモジュール２８は，二つの固定具２２の間に押しバネ２７が装着されている（図１１Ａ）。このことにより，誘電エラストマーアクチュエータモジュール２８は常に伸長方向に負荷がかかり，伸長時に伸長を妨げる方向に負荷があっても押しバネ２７の力で負荷を動かすことができる（図１１Ｂ）。
【００４８】
上記のアクリル系エラストマー材料を用いた断面形状が０．０３ｍｍ×２０ｍｍ，長さ１００ｍｍの誘電エラストマーアクチュエータの場合，押しバネに，最初に６０ｍｍ圧縮したばね定数０．００１５Ｎ／ｍｍのばねを使用すれば，誘電エラストマーアクチュエータが約２０ｍｍ伸長された状態でつり合い，誘電エラストマーアクチュエータに電圧を加えると，押しバネの力で約３ｇｆの負荷を動かすことができる。
【００４９】
この押しバネが装着されている構造は，誘電エラストマーアクチュエータを多層に積層したアクチュエータモジュールにも使用することができる。
【００５０】
[実施例３]
実施例３では，実施例２とは異なった構造のアクチュエータを用いたアクチュエータモジュールについて説明する。
【００５１】
誘電エラストマーアクチュエータを用いて大きな変位を得るため，積層型ピエゾアクチュエータとの類推で，誘電エラストマーアクチュエータを積層する方法が考えられる。実際に，Sensors and Actuators A 155 (2009) 299-307には積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュールの作製例が報告されている。
【００５２】
このような積層型誘電エラストマーアクチュエータも通常の誘電エラストマーアクチュエータと同じく，ガラス転移温度Ｔｇ以下では動作が著しく小さくなるといった課題があった。本発明を用いれば，低温でも安定に動作する積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュールを提供することができる。
【００５３】
図１２Ａ，図１２Ｂは，本実施例の積層型誘電エラストマーアクチュエータの原理を示した図である。図では分かりやすいように誘電エラストマーアクチュエータを５層重ねた例を記しているが，必要に応じて積層枚数は調整することができる。図１２Ａは構造を表す概略斜視図，図１２Ｂは配線を表す概略図である。
【００５４】
本実施例の積層型誘電エラストマーアクチュエータ３０は，実施例１の図２に示した誘電エラストマーアクチュエータ７を誘電エラストマーフィルムの膜厚方向に積層した構造を有し，一番下の層の誘電エラストマーアクチュエータには，下面に実施例１の図２の下面動作電極３に相当するヒータを兼ねる伸縮性を有するヒータ動作電極３１Ａが，上面に実施例１の図２の上面動作電極２に相当する伸縮性を有する動作電極３２Ａが設置されている。下から２番目の層の誘電エラストマーアクチュエータは，下面に一番下の層の誘電エラストマーアクチュエータと共通の動作電極３２Ａが，上面にヒータ動作電極３１Ｂが設置されている。下から３番目の層の誘電エラストマーアクチュエータは，下面に下から２番目の層の誘電エラストマーアクチュエータと共通のヒータ動作電極３１Ｂが，上面に動作電極３２Ｂが設置されている。下から４番目の層の誘電エラストマーアクチュエータは，下面に下から３番目の層の誘電エラストマーアクチュエータと共通の動作電極３２Ｂが，上面にヒータ動作電極３１Ｃが設置されている。一番上の層の誘電エラストマーアクチュエータは，下面に下から４番目の層の誘電エラストマーアクチュエータと共通のヒータ動作電極３１Ｃが，上面に動作電極３２Ｃが設置されている。このように，上下に隣接する誘電エラストマーアクチュエータ間で，アクチュエータ動作電極とヒータ動作電極を交互に共用する構造になっている。
【００５５】
一番下の層のヒータ動作電極３１Ａは，グランド配線３６Ａを介してグランドと接続されている。ヒータ動作電極３１Ａは，その他にヒータ配線３５Ａを介しヒータ電源３４に接続されている。動作電極３２Ａは，高圧電源配線３７Ａを介しアクチュエータ動作用高圧電源３３に接続されている。他の層のヒータ動作電極も一番下の層と同様に，グランド配線を介しグランドと，ヒータ配線を介しヒータ電源３４に，動作電極も高圧電源配線を介しアクチュエータ動作用高圧電源３３に接続されている。
【００５６】
動作手順は，実施例１の図７で述べた方法と同様である。初めに，ヒータ動作電極の電気抵抗の値より温度を見積もる。そして，その温度が予め設定した安定動作に必要な温度よりも低ければ，ヒータ電源３４より電圧を印加して電流を流すことでヒータ動作電極を加熱し，それによって誘電エラストマーアクチュエータ３０を加熱する。加熱後，再びヒータ動作電極の抵抗測定からヒータ動作電極温度と設定値とを比較する。この工程を，ヒータ動作電極温度が設定値より高くなるまで繰り返し，設定値より高くなったら動作電極に高圧電源３３より電圧を印加し，アクチュエータ動作をさせる。すると，各層が変形し，全体として積層方向に大きな収縮動作が得られる。
【００５７】
図１３Ａ及び図１３Ｂは，積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュールの構造と変形動作前後の外観を示す概略斜視図である。図１３Ａは変形動作前の状態を示し，図１３Ｂは変形後の状態を示している。
【００５８】
積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュールは，図１２で説明した積層型誘電エラストマーアクチュエータ３０を，アクチュエータ積層方向の上端と下端に固定された非伸縮性の固定具３８，３９により挟んだ構造を持つ。積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュール５０の表面には，各層からのグランド配線を接続する外部グランド配線４０，ヒータ配線を接続する外部ヒータ配線４１，高圧電源配線を結ぶ外部高圧電源配線４２が設けられ，それぞれ，絶縁性の固定具３８の内部を通り，それぞれ外部配線４３，４５，４４に接続されている。外部配線４３はグランド，外部配線４５はヒータ電源，外部配線４４は高圧電源に接続されている。
【００５９】
誘電エラストマーフィルム材料にガラス転移温度が０℃のアクリル系エラストマーを用いた，膜厚０．０３ｍｍ，直径１５ｍｍの誘電エラストマーアクチュエータを３０００層積層し，全長を９０ｍｍとした誘電エラストマーアクチュエータモジュール５０の場合，室温環境では高圧電源３３より１ｋＶ印加したところ，積層方向に４０ｍｍの伸長動作をすることができた。しかし，−１０℃の動作環境でヒータ動作電極を加熱せずに高圧電源３３より１ｋＶ印加したところ，１ｍｍ以上の伸長動作は生じなかった。ヒータ動作電極を２０℃になるように電源３４より電流を流したところ，室温と同じ４０ｍｍの伸長動作を安定して得ることができた。
【００６０】
[実施例４]
本発明のアクチュエータは軽量でフレキシブルなため，ロボットや装着型パワードスーツへの応用が期待される。本実施例では，ロボットの関節の屈伸に相当する，ヒンジで接続された２つのアームを本発明のアクチュエータを用いたワイヤー駆動で屈曲運動させるためのシステムについて記述する。
【００６１】
図１４は，本実施例のアーム屈曲システムの概略図である。アーム屈曲システム６０はアーム部６１，アクチュエータ部６２，アクチュエータ制御部６３から構成される。
【００６２】
アーム部６１は，大きく分けると，ヒンジ６４とそれにつながる上部アーム６５，下部アーム６６及び，アクチュエータの伸縮運動をアームの屈曲運動に伝達変換するワイヤー６７から成る。下部アーム６６にはワイヤー固定部６８が，上部アーム６５にはワイヤーガイド６９が搭載されている。ワイヤー６７の一方の端はワイヤー固定部６８に固定され，他方の端はワイヤーガイドプーリー６９を通り，アクチュエータ部６２の固定具７２に接続されている。下部アーム６６のヒンジとは逆の端には負荷７９が取り付けられている。また，下部アーム６６はヒンジ６４を中心とした回転運動（屈曲運動）ができるが，上部アーム６５は動かないように固定されている。
【００６３】
アクチュエータ部６２は実施例３の積層型誘電エラストマーアクチュエータモジュール５０と同様の，積層した誘電エラストマーアクチュエータ７０の上下を固定具７１，７２で挟んだ構造であり，各層からそれぞれ，グランド配線を接続する外部グランド配線７３，ヒータ配線を接続する外部ヒータ配線７４，高圧電源配線を結ぶ外部高圧電源配線７５がでている。外部グランド配線７３はグランドに設置されている。固定具７１は上部アーム６５に固定されている。
【００６４】
アクチュエータ制御部６３は高圧電源８０，ヒータ抵抗測定用電流計８１，ヒータ電源８２，コントローラ８３を備える。高圧電源配線７５は高圧電源８０に，外部ヒータ配線７４はヒータ抵抗測定用電流計８１を介しヒータ電源８２に接続されている。高圧電源８０，ヒータ抵抗測定用電流計８１，ヒータ電源８２はそれぞれコントローラ８３に接続され，制御及び計測されている。コントローラ８３に接続されたメモリ８４には，アクチュエータの安定動作に必要な最低温度（設定値），アクチュエータに用いられているエラストマー材料の弾性率の温度依存性を示す情報，及びヒータとしての機能を有する動作電極の抵抗値と温度の関係を示す情報が演算式やテーブルなどの形で格納されている。エラストマー材料の弾性率の温度依存性を示す情報の代わりに，温度をパラメータとした所望のアクチュエータ動作に必要な印加電圧の情報を格納してもよい。
【００６５】
上部アーム６５及び下部アーム６６は断面が半径５ｃｍの円形で，上部アーム６５の一方の端にあるヒンジ６４から他方の端までの長さは４０ｃｍ，下部アーム６６の一方の端にあるヒンジ６４から他方の端にある負荷７９までの長さは３０ｃｍである。負荷７９を１０ｋｇとすると，図１５に示すように上部アーム６５と下部アーム６６のなす角が１８０度から上部アーム６５と下部アーム６６のなす角が９０度になるように屈曲させるには，ワイヤー６７を７．９ｃｍ上に引っ張る必要がある。その際，最大約５９０Ｎの力が必要となる。
【００６６】
本実施例では誘電エラストマーアクチュエータ７０に，アクリル系エラストマーを使用した膜厚０．０３ｍｍ，断面形状が１０ｍｍ×３０ｍｍの誘電エラストマーアクチュエータを１００００層積層して作製したものを使用した。
【００６７】
次に，本実施例のアーム屈曲システムの動作手順について記述する。動作手順は実施例１の図７で述べた方法と同様である。初めに，ヒータ電源８２からヒータ電極に５Ｖ印加し，その際の電流値をヒータ抵抗測定用電流計８１で測定してコントローラ８３に送る。コントローラ８３では，測定された電流値を抵抗値へ変換し，メモリ８４に格納されたヒータ電極の抵抗値と温度の関係を示す情報を参照して，ヒータ電極の温度を見積もる。そして，その温度が予め設定した安定動作に必要な温度である２０℃よりも低ければ，ヒータ電源８３より電圧を５０Ｖ印加して電流を流すことでヒータ動作電極を加熱し，誘電エラストマーアクチュエータ７０を加熱する。加熱後，再びヒータ動作電極の抵抗測定からヒータ動作電極温度と設定値と比較する。この工程を，ヒータ動作電極温度が設定値より高くなるまで繰り返し，高くなったら動作電極に高圧電源８０より電圧を印加する。高圧電源８０より１ｋＶ印加したところ，下部アーム６６が負荷７９を持ち上げながら９０度回転した。なお，所望のアクチュエータ動作に必要な印加電圧はそのときのアクチュエータ温度に依存して変わるため，精密な制御が必要とされる場合には，見積もられた電極温度を元にメモリ８４に格納されているエラストマー材料の弾性率の温度依存性を示す情報，あるいは温度をパラメータとした所望のアクチュエータ動作に必要な印加電圧の情報を参照して，印加電圧を調整してもよい。
【００６８】
なお，本発明は上記した実施例に限定されるものではなく，様々な変形例が含まれる。例えば，上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり，必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また，ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり，また，ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また，各実施例の構成の一部について，他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１  誘電エラストマーフィルム
２  上面動作電極
３  下面動作電極
４  上面電極配線
５  下面電極配線
６  高圧電源
７  誘電エラストマーアクチュエータ
８  下面電極ヒータ配線
９  電源
１０  電流計
１１  低抵抗領域
１２  サージ防止回路
１３  ヒューズ
２０  誘電エラストマーアクチュエータモジュール
２１  外部配線
２２  固定具
２３，２４  外部配線
２５，２６  スイッチ
２７  押しバネ
２８，３０  誘電エラストマーアクチュエータモジュール
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ  ヒータ動作電極
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ  動作電極
３３  高圧電源
３４  ヒータ電源
３５Ａ  ヒータ配線
３６Ａ  グランド配線
３７Ａ  高圧電源配線
３８，３９  固定具
４０  外部グランド配線
４１  外部ヒータ配線
４２  外部高圧電源配線
４３，４４，４５  外部配線
６１  アーム部
６２  アクチュエータ部
６３  アクチュエータ制御部
６４  ヒンジ
６５  上部アーム
６６  下部アーム
６７  ワイヤー
６８  ワイヤー固定部
６９  ワイヤーガイド
７０  誘電エラストマーアクチュエータ
７１，７２  固定具
８０  高圧電源
８１  ヒータ抵抗測定用電流計
８２  ヒータ電源
８３  コントローラ
８４  メモリ
１００  誘電エラストマーアクチュエータ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
0005705654.tif 000007
【図２Ａ】
0005705654.tif 000008
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
0005705654.tif 000014
【図６Ｃ】
0005705654.tif 000015
【図７】
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【図８Ａ】
0005705654.tif 000017
【図８Ｂ】
0005705654.tif 000018
【図９Ａ】
0005705654.tif 000019
【図９Ｂ】
0005705654.tif 000020
【図９Ｃ】
0005705654.tif 000021
【図１０Ａ】
0005705654.tif 000022
【図１０Ｂ】
0005705654.tif 000023
【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
0005705654.tif 000025
【図１１Ｂ】
0005705654.tif 000026
【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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