(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面方向を対向して配置される陽極板及び陰極板と、
前記陰極板の少なくとも前記陽極板に対向する面を被覆する誘電性部材とを備え、
前記陽極板と前記陰極板との間に電圧を印加すると、前記誘電性部材に注入された電子がクーロン力により前記陽極板に吸引され、それとともに前記誘電性部材が前記陽極板に向けて伸びることにより前記陽極板に吸着し、
前記陽極板と前記陰極板との間に印加する電圧を解除すると、前記誘電性部材が元の厚さに復帰して、前記陽極板と前記誘電性部材を含む陰極板とが離間することによりクラッチ作用がなされることを特徴とするゲルアクチュエータを用いたクラッチ機構。
【請求項２】
前記誘電性部材としてポリ塩化ビニルゲルを用い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クラッチ機構。
【請求項３】
前記陽極板が回転駆動される動力側の部材であり、前記陽極板と前記陰極板との間の電圧印加をON-OFFすることにより、前記誘電性部材を含む陰極板が前記陽極板に対して接離作用をなす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クラッチ機構。
【請求項４】
前記陽極板が直動駆動される動力側の部材であり、前記陽極板と前記陰極板との間の電圧印加をON-OFFすることにより、前記誘電性部材を含む陰極板が前記陽極板に対して接離作用をなす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クラッチ機構。
【請求項５】
前記陰極板が前記陽極板に対向する方向に進退動可能に設けられ、前記陰極板に対し前記陽極板から退避する向きの弾性力を付与する弾性部材を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のゲルアクチュエータを用いたクラッチ機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はゲルアクチュエータを用いたクラッチ機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子材料を用いたアクチュエータはソフトで小型軽量な次世代アクチュエータとして注目されおり活発に開発が行なわれている、中でもPVC ゲルを用いたアクチ ュエータは大気中で安定駆動が可能あるため比較的制御ししやすいという利点を持つ。本発明者は、PVCゲルを用いて電場駆動可能な伸縮アクチュエータ を開発し、その特性等について報告している（特許文献１、２、非特許文献１、２）。最近の研究では、300Vの電圧印加で収縮率10％、回復応力20kPaという駆動特性を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２３８４３号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３０２０１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】静井章朗、森崇、加藤龍、森下壮一郎、横井浩史、“収縮型PVCゲルアクチュエータの構造と駆動特性”、第28回日本ロボット学会学術講演会、RSJ2010AC2J1-8,2010
【非特許文献２】山野美咲、橋本稔、高崎緑、平井利博、“メッシュ電極を用いた伸縮型PVCゲルアクチュエータの駆動特性”、第26回日本ロボット学会学術講演会、2A1-02,2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
PVCゲルアクチュエータは、ポリ塩化ビニル（PVC）を可塑剤によりゲル化した PVCゲルをメッシュ状の陽極と箔状（薄平板状）の陰極とで挟んで構成する。電圧印加時には、ゲルがメッシュの空間内に引き込まれ全体として厚さ方向に収縮し、除去時には、ゲルが持つ弾性によって元の状態に戻るというメカニズムを持つ。さらにこの単位構造（単層）を高さ方向に積層することにより、全体としての変位が増大され、収縮型アクチュエータを構成することができる。
【０００６】
このPVCゲルアクチュエータの利用例としてクラッチへの利用が考えられる。クラッチは、動力部と動かしたいもの、たとえば車輪などとを接続する部分に使われる。それらは油中で駆動させる湿式と大気中での駆動の乾式に大きく二分され、単板・多板・遠心等の種類がある。またそれらを動かすための摩擦材としてコルクモールド・ゴムモールド・ペーパーベース・ガラスヤーン・セミメタリックなどがあり、これらもまた湿式と 乾式がある。
しかしながら、これら従来の構造は複雑で重く、また摩擦材の性能がクラッチ駆動の良し悪しを左右するといわれ、１．破損し飛び散る危険がない、２．クラッチを動かすレバー等が軽く操作が容易、３．接続がスムーズで振動がない、４．電力伝達・遮断が確実に行われる、５．耐熱性・耐摩耗性に優れている、６．変速が容易にできる等、摩擦材には多くの性能が求められている。
【０００７】
本発明は、ゲルアクチュエータをクラッチ機構に利用することにより、摩擦材を使用せずに駆動することができ、軽量、低消費電力、低価格化が可能なゲルアクチュエータを用いたクラッチ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】
【０００８】
本発明に係るゲルアクチュエータを用いたクラッチ機構は、面方向を対向して配置される陽極板及び陰極板と、前記陰極板の少なくとも前記陽極板に対向する面を被覆する誘電性部材とを備え、前記陽極板と前記陰極板との間に電圧を印加すると、前記誘電性部材に注入された電子がクーロン力により前記陽極板に吸引され、それとともに前記誘電性部材が前記陽極板に向けて伸びることにより前記陽極板に吸着し、前記陽極板と前記陰極板との間に印加する電圧を解除すると、前記誘電性部材が元の厚さに復帰して、前記陽極板と前記誘電性部材を含む陰極板とが離間することによりクラッチ作用がなされることを特徴とする。
誘電性部材とは、電圧を印加したときに陽極に引き付けられて変形する作用を奏する部材であり、PVC（ポリ塩化ビニル）ゲル等が用いられる。
【０００９】
また、クラッチ機構としては、前記陽極板が回転駆動される動力側の部材であり、前記陽極板と前記陰極板との間の電圧印加をON-OFFすることにより、前記誘電性部材を含む陰極板が前記陽極板に対して接離作用をなす回転式のクラッチ機構、前記陽極板が直動駆動される動力側の部材であり、前記陽極板と前記陰極板との間の電圧印加をON-OFFすることにより、前記誘電性部材を含む陰極板が前記陽極板に対して接離作用をなす直動式のクラッチ機構を構成することができる。
【００１０】
また、前記陰極板が前記陽極板に対向する方向に進退動可能に設けられ、前記陰極板に対し前記陽極板から退避する向きの弾性力を付与する弾性部材を備えることにより、電圧印加を解除したときに陰極板を確実に陽極板から離間する位置に戻すことができ、より確実なクラッチ操作をなすことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るゲルアクチュエータを用いたクラッチ機構は、クラッチ操作にゲルアクチュエータを用いたことにより、小型で軽量であり、低消費電力のクラッチ機構として提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ゲルアクチュエータを用いた回転式のクラッチ機構の構成例を示す説明図である。
【図２】ゲルアクチュエータを用いた直動式のクラッチ機構の構成例を示す説明図である。
【図３】回転式のクラッチ機構で陽極板の接離面を凹凸面とした例の説明図である。
【図４】直動式のクラッチ機構で陽極板の接離面を凹凸面とした例の説明図である。
【図５】回転式のクラッチ機構の他の構成例を示す、クラッチ機構の組み立て図(a)、クラッチ機構を組み立てた状態の斜視図(b)、陰極板の平面図(c)である。
【図６】直動式のクラッチ機構の他の構成例を示す斜視図である。
【図７】回転式のクラッチ機構のさらに他の構成例を示す斜視図である。
【図８】アクチュエータユニットの構成と作用を示す説明図である。
【図９】直動式のクラッチ機構のさらに他の構成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（回転式のクラッチ機構）
図１はゲルアクチュエータを用いた回転式のクラッチ機構の構成例を示す。
図１(a)、(b)に示すゲルアクチュエータを用いたクラッチ機構は、動力側である陽極板１０と、動力が伝達される側である陰極板１２とを、回転軸（支持軸）の軸心位置を一致させ、平行平板配置として、それぞれ回転自在に支持した構成を備える。
このクラッチ機構において特徴的な構成は、陰極板１２の表面全体をPVCゲル１４により被覆する構成としたこと、陽極板１０と、陰極板１２をそれぞれ直流印加電圧の正極と負極とに接続する構成としたことにある。なお、陽極板１０と陰極板１２は導電性材料からなる。１６は直流電源である。
【００１５】
図１(a)は、陽極板１０と陰極板１２との間に電圧を印加していない状態、図１(b)は、陽極板１０と陰極板１２との間に電圧を印加した状態を示す。
図１(a)の電圧を印加していない状態においては、陰極板１２の表面を被覆するPVCゲル１４と陽極板１０との対向面がわずかに離間する（空隙がある）ように陽極板１０と陰極板１２の配置、厚さ、及びPVCゲル１４の厚さを設定する。
図１(a)に示すように、陽極板１０と陰極板１２は対向面が平行平面になるように配置し、陰極板１２の表面を被覆するPVCゲル１４を均一の厚さとすることで、陽極板１０の接離面（クラッチ作用をなすときに相互に接触する面）とこれに対向するPVCゲル１４の表面とが平行面になる。
【００１６】
陽極板１０と陰極板１２とに電圧を印加すると(図１(b)）、陰極板１２からPVCゲル１４に電子が注入され、PVCゲル１４の表面近傍に電子が蓄積される。PVCゲル１４の表面に電子が蓄積されることにより、クーロン力により電子が陽極板１０に引き付けられ、PVCゲル１４が陽極板１０に向けて伸び（厚さ方向に伸びる）、PVCゲル１４が陽極板１０に吸着される。PVCゲル１４は導電性を有しないから、PVCゲル１４は陽極板１０の表面に吸着された状態を維持する。
【００１７】
PVCゲル１４が伸びる理由は、PVCゲル１４が柔軟性を有していることにある。したがって、PVCゲル１４の柔軟性を調節したり、陰極板１２の表面を被覆するPVCゲル１４の厚さを調節したりすることにより、PVCゲル１４の伸び率を調節することができる。
図１(b)に示すように、陽極板１０と陰極板１２との間に電圧を印加すると、陽極板１０に対向する面のPVCゲル１４は、その全面が陽極板１０に粘着するように吸着し、陽極板１０の動力が陰極板１２に伝達される状態（クラッチが接続した状態）になる。
【００１８】
陽極板１０と陰極板１２とに印加する電圧を解除すると、PVCゲル１４に蓄積されていた電子の蓄積が解消され、PVCゲル１４は陽極板１０に引き寄せられて伸びた状態から元の状態に復帰し、図１(a)に示すように、PVCゲル１４と陽極板１０との対向面間が離間する状態（クラッチが離れた状態）になる。
こうして、陽極板１０と陰極板１２との間の電圧印加をON-OFF操作することにより、陽極板１０と陰極板１２との間のクラッチ切り替え作用がなされる。
本実施例では、陰極板１２の外面の全面をPVCゲル１４によって被覆したが、PVCゲル１４は、陰極板１２の少なくとも陽極板１０に対向する面を被覆すればよい。
【００１９】
（直動式のクラッチ機構）
図２はゲルアクチュエータを用いた直動式のクラッチ機構の構成例を示す。
図２にに示す直動式のクラッチ機構は、動力側である平板状の陽極板１０の両側に、陽極板１０の面に平行に、陽極板１０と対向させて、動力が伝達される側の第１の陰極板１２aと第２の陰極板１２ｂを配置したものである。
第１の陰極板１２a、第２の陰極板１２ｂの外面は、それぞれPVCゲル１４によって被覆されている。
【００２０】
図２(a)は陽極板１０と第１の陰極板１２a、第２の陰極板１２ｂとの間に電圧が印加されていない状態である。第１の陰極板１２aと第２の陰極板１２ｂを被覆するPVCゲル１４は、電圧を印加しない状態でPVCゲル１４と陽極板１０との対向面間がわずかに離間するように設ける。この状態が、陽極板１０と第２の陰極板１２a及び第２の陰極板１２ｂが離間した状態（クラッチが離れた状態）で、陽極板１０から第１の陰極板１２a及び第２の陰極板１２ｂに動力が伝達されない状態である。
【００２１】
陽極板１０と第１の陰極板１２a及び第２の陰極板１２ｂとの間に電圧が印加されると、第１の陰極板１２aと第２の陰極板１２ｂを被覆するPVCゲル１４に電子が注入され、PVCゲルはクーロン力により陽極板１０に引き付けられ、陽極板１０に向けて伸び、陽極板１０にPVCゲル１４が吸着される（図２(b)）。陽極板１０にPVCゲル１４が吸着された状態が陽極板１０から第１の陰極板１２a及び第２の陰極板１２ｂに動力が伝達される状態（クラッチが接続された状態）である。
【００２２】
このように、PVCゲルを用いた直動式のクラッチ機構の場合も、前述した例と同様に、陽極板１０と第１の陰極板１２aと第２の陰極板１２ｂとの間にPVCゲル１４を介在させることにより、電圧印加をON-OFFすることにより、陽極板１０と第１の陰極板１２ａ、第２の陰極板１２ｂとの間でクラッチ機能を作用させることができる。
【００２３】
（接離面に凹凸を設けた例）
図１、２に示すゲルアクチュエータを用いたクラッチ機構では、陽極板１０として接離面が平坦面である平板体を使用した。平板体の陽極板１０にかえて、陰極板１２を被覆するPVCゲル１４との接離面を凹凸面とした陽極板を用いることもできる。
図３は、回転式のクラッチ機構で、陽極板１０の接離面１０ａを凹凸面とした例であり、図４は、直動式のクラッチ機構で、陽極板１０の接離面１０ａを凹凸面とした例である。陽極板１０の接離面１０ａを凹凸面とすると、陽極板と陰極板との間に電圧を印加してPVCゲルを陽極板１０の接離面１０aに吸着したときに、接離面１０aに設けた凹凸がPVCゲル１４に食い込み、凹凸がアンカーのように作用するとともに、接離面１０aとPVCゲル１４との接触面積が大きくなることで、陽極板と陰極板との連結力を強くすることができる。
【００２４】
陽極板１０の接離面１０aに設ける凹凸の例としては、接離面１０aにPVCゲルが接触し吸着した際に、PVCゲルに埋没する小突起を多数設ける方法、PVCゲルが進入する小さな凹溝を多数本設ける方法、接離面１０aの全面を粗面とする方法等がある。PVCゲルは柔軟性を有するから、陽極板１０の接離面１０ａを凹凸面とする方法は陽極板と陰極板との連結性を高め、陽極板１０から陰極板１２に効率的に動力を伝達することができる。
【００２５】
図４に示す直動式のクラッチ機構では、陽極板１０の一方の面のみにおいて陽極板１０と陰極板１２とを連繋する構成としている。図２に示す直動式の場合も、図４に示すように、動力側である陽極板１０の一方の側のみで陰極板１２と連繋する構成とすることも可能であり、図４に示すクラッチ機構でも、陽極板１０の両面で陰極板１２と連繋するように構成することもできる。
【００２６】
（引っ張りバネを用いる例)
図５は、図１と同様な回転式のクラッチ機構の他の構成例を示す。このクラッチ機構では、陽極板と陰極板に印加する電圧を解除したときに、引張りバネを用いて陰極板を陽極板から引き離す構成としている。
図５(a)は各部の組み立て図、図５(b)はクラッチを組み立てた状態を示す。
陽極板１０は、動力側の回転部材２０の接離面に表面を露出して設けられ、回転部材２０の駆動軸２２内を挿通する配線２３を介して電源の正極に接続される。
陰極板１２はPVCゲル１４により被覆され、第１の支持軸２４と、支持板２５を介して第２の支持軸２６によって支持される。第１の支持軸２４は支持板２５に軸線方向に若干移動可能に設けられている。陰極板１２は、第１の支持軸２４、支持板２５、第２の支持軸２６を挿通する配線２７を介して電源の負極に接続される。陰極板１２と支持板２５との間には、引っ張りバネ２８が介装されている。
【００２７】
図５(c)は陰極板１２の平面図である。陰極板１２には複数個の貫通孔が設けられている。陰極板１２に複数の貫通孔を設けてPVCゲル１４によって陰極板１２を被覆すると、陰極板１２へのPVCゲル１４の保持性が良好になるという利点がある。
【００２８】
図５に示すクラッチ機構では、配線２３、２７を介して陽極板１０と陰極板１２に電圧を印加すると、陰極板１２はPVCゲル１４と陽極板１０との間に作用する吸引力により、陽極板１０に向けて移動してPVCゲル１４が陽極板１０に吸着される。電圧の印加を解除すると、PVCゲル１４が厚さ方向に収縮する作用と、バネ２８の引っ張り力により陰極板１２が元位置に復帰し、陽極板１０と陰極板１２（PVCゲル１４）が離間する。
本実施例では、バネ２８の引っ張り力を利用して陰極板１２を元位置に復帰させることで、陽極板１０に吸着した（粘着した）陰極板１２を確実に元位置に復帰させ、クラッチ機構の接離作用が確実に作用させることができる。
【００２９】
（直動式で引っ張りバネを用いた例）
図６は、直動式のクラッチ機構の構成例で、電圧の印加を解除したときに、陰極板１２を陽極板１０から離間させるための戻し用のバネ（引っ張りバネ）２８を設けた例である。
平板状の陽極板１０を挟んで、PVCゲル１４で外面を被覆した第１の陰極板１２ａと第２の陰極板１２ｂを配置する構成は、図２に示すクラッチ機構と同様である。図２の構成と相違する点は、第１の陰極板１２aと第２の陰極板１２ｂが陽極板１０に向けて接離可能となるように、支持ブロック３０により第１の陰極板１２aと第２の陰極板１２を一端側で支持し、第１の陰極板１２aと第２の陰極板１２ｂに対し、陽極板１０から離間する向きの弾性力を付与するバネ２８ａ、２８ｂを設けた点にある。
陽極板１０は配線３１を介して電源に接続され、第１の陰極板１２ａと第２の陰極板１２ｂは配線３２を介して電源に接続される。
【００３０】
本構成例のクラッチ機構においては、陽極板１０と、第１の陰極板１２ａ及び第２の陰極板１２ｂとの間に電圧を印加すると、第１の陰極板１２ａと第２の陰極板１２ｂが陽極板１０向けてわずかに移動して吸着され、電圧の印加を解除すると、第１の陰極板１２ａと第２の陰極板１２ｂは、PVCゲル１４が収縮する作用と、バネ２８ａ、２８ｂの戻し作用によって、元位置に復帰する。
この構成例の場合も、バネ２８ａ、２８ｂを設けたことにより、電圧印加を解除した際に、陽極板１０に吸着した第１の陰極板１２ａと第２の陰極板１２ｂを確実に元位置に復帰させることができ、安定したクラッチ操作をなすことができる。
【００３１】
（アクチュエータユニットを使用する例）
図７は回転式のクラッチ機構についての他の構成例を示す。このクラッチ機構は、動力側の駆動部材４０に、PVCゲル１４により外面を被覆した押動板５０を接離してクラッチ作用を生じさせるものである。
PVCゲル１４を被覆した押動板５０を、支持板５２及び支持軸５４により、軸線方向に進退動可能に支持し、押動板５０の背面側と支持板５２との間に、押動板５０を駆動部材４０に対して接離動させるアクチュエータユニット６０を介装する。
【００３２】
図８にアクチュエータユニット６０の構成と作用を示す。アクチュエータユニット６０は、コンテナフレーム６２の内側に、コンテナフレーム６２に対して突出入可能に移動できるスライドフレーム６３を設け、スライドフレーム６３の底板とコンテナフレーム６２の上板との間に第１のゲルアクチュエータ６５ａを介装し、スライドフレーム６３の底板とコンテナフレーム６２の底板との間に第２のゲルアクチュエータ６５ｂを介装した構成を備える。第１のゲルアクチュエータ６５aと第２のゲルアクチュエータ６５ｂは、電圧を印加するとクリープ変形する特性を有する誘電性材料からなるゲルシートを、陰極とメッシュ状の陽極とで挟んだ構造を厚さ方向に積層したものである。
【００３３】
図８(b)は、第１のゲルアクチュエータ６５ａに印加する電圧を解除し、第２のゲルアクチュエータ６５ｂに電圧を印加した状態である。この場合は、第１のゲルアクチュエータ６５ａが元の厚さに復帰し、第２のゲルアクチュエータ６５ｂが厚さ方向に収縮することにより、スライドフレーム６３がコンテナフレーム６２の内側に引き込まれる。
図８(c)は、第１のゲルアクチュエータ６５ａに電圧を印加し、第２のゲルアクチュエータ６５ｂに印加する電圧を解除した状態である。この場合は、第１のゲルアクチュエータ６５ａが厚さ方向に収縮し、第２のゲルアクチュエータ６５ｂが元の厚さに復帰することにより、スライドフレーム６３がコンテナフレーム６２から押し出される。
【００３４】
図８のアクチュエータユニット６０の作用は、第１のゲルアクチュエータ６５ａと第２のゲルアクチュエータ６５ｂに交互に電圧を印加する操作によって、スライドフレーム６３を引き戻したり、押し出したりする作用である。このアクチュエータユニットは、第１のゲルアクチュエータ６５ａと第２のゲルアクチュエータ６５ｂが元の厚さに復帰するときの力（回復力）を利用して、スライドフレーム６３を押動する操作をなすもので、いわゆる双方向型のゲルアクチュエータユニットである。ゲルアクチュエータの回復力は20kPa程度あるから、押動板５０を押動してクラッチ作用をなすに十分な押動力、引っ張り力を備える。
【００３５】
図７に示すクラッチ機構は、上述したアクチュエータユニット６０の押動力と引っ張り力を利用して、押動板５０を駆動部材４０に接離することによりクラッチ作用をなす。
アクチュエータユニット６０の第１のゲルアクチュエータ６５aと第２のゲルアクチュエータ６５ｂには、配線５６を介して、陽極と陰極に電圧を印加すればよい。
本実施形態のクラッチ機構では、押動板５０は電気的な作用をなすものではない。また押動板５０を被覆するPVCゲル１４も摩擦材、粘着材として機能するものであり、PVCゲルにかえて他の摩擦材を利用することも可能である。
【００３６】
図７に示したクラッチ機構は、双方向型のアクチュエータユニットを用いて、駆動部材である駆動部材４０に押動板５０を接離して回転駆動力を伝達するクラッチ機構として構成した例である。この双方向型のアクチュエータユニットは、図９に示すように、直動型のクラッチ機構に利用することもできる。すなわち、押動板５１を直動型の駆動部材４２に対向して進退動するように支持し、双方向型のアクチュエータユニット６０を用いて、押動板を直動型の駆動部材に接離させるようにすればよい。図９(a)は、駆動部材４２の一方の側のみに押動板５１を配置した例、図９(b)は、駆動部材４２の両側に押動板５１を配置した例である。
【００３７】
なお、双方向型のアクチュエータユニットを使用する場合に、押動板を駆動部材から引き離す作用を補助するため、押動板を離間位置に引き戻す引っ張りバネを装着する構成とすることもできる。
また、上記回転型のクラッチ機構、直動型のクラッチ機構ともに、押動板に接触する駆動部材の表面を凹凸面、粗面にすることも有効である。
【００３８】
ゲルアクチュエータを用いてクラッチ機構を構成したことにより、下記のような利点を有する。
ゲルは柔軟であるので、クラッチを接離したときの衝撃が小さく、やわらかなクラッチ接続が可能である。ゲルの伸縮を制御することにより、より衝撃を小さくしたり、変速が可能である。また、仮に飛び散った場合も危険がない。また、加工・作製が容易で、軽量、小型化が可能である。消費される電流はわずかであり、低電力での駆動が可能である。ゲルアクチュエータは大きな発熱がなく、火気厳禁の場所でも使用が可能である。とくに、小型装置、工場内の小型ライン、玩具等へ好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  陽極板
１０ａ  切離面
１２  陰極板
１２ａ  第１の陰極板
１２ｂ  第２の陰極板
１４  PVCゲル
２０  回転部材
２８、２８ａ、２８ｂ  バネ
３０  支持ブロック
４０、４２  駆動部材
５０、５１  押動板
５２  支持板
６０  アクチュエータユニット
６２  コンテナフレーム
６３  スライドフレーム
６５ａ  第１のゲルアクチュエータ
６５ｂ  第２のゲルアクチュエータ
【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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