(57)【要約】【課題】  小型化が容易で、柔軟で変位量の大きなアクチュエータを提供する。【解決手段】  アクチュエータ１は、軸方向に弾性変形可能であって、弾性変形による体積変化がほぼなく、軸方向に連続する側周面を持つ棒状の芯材２と、芯材２の周囲に環装され、誘電体エラストマー製の誘電膜３００と、誘電膜３００を介して配置されている複数の電極３０１と、を有し、電極３０１間への印加電圧が大きくなるに従って誘電膜３００が伸長する筒状のアクチュエータ素子３と、を備えてなる。アクチュエータ素子３は、予め軸方向に弾性変形した状態の芯材２に環装されており、芯材２の弾性復元力とアクチュエータ素子３の芯材２に対する拘束力とが釣り合った状態で、芯材２は停止している。電極３０１間に電圧を印加することにより誘電膜３００を伸長させ、該拘束力を小さくすることにより、芯材２の弾性復元力を利用して、軸方向に駆動力を出力する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に弾性変形可能であって、弾性変形による体積変化がほぼなく、軸方向に連続する側周面を持つ棒状の芯材と、
該芯材の周囲に環装され、誘電体エラストマー製の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を有し、該電極間への印加電圧が大きくなるに従って該誘電膜が伸長する筒状のアクチュエータ素子と、を備えてなり、
該アクチュエータ素子は、予め軸方向に弾性変形した状態の該芯材に環装されており、
該芯材の弾性復元力と該アクチュエータ素子の該芯材に対する拘束力とが釣り合った状態で、該芯材は停止しており、
該電極間に電圧を印加することにより該誘電膜を伸長させ、該拘束力を小さくすることにより、該芯材の弾性復元力を利用して、軸方向に駆動力を出力可能なことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記芯材は、エラストマーからなる請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記アクチュエータ素子は、前記誘電膜と、該誘電膜の両面に配置されている一対の前記電極と、一対の該電極の一方の表面に配置されている絶縁膜と、を有する伸縮膜が、前記芯材の周囲に渦巻状に巻回されてなる請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記アクチュエータ素子は、前記芯材の周囲に前記誘電膜と前記電極とが交互に同心円状に積層されてなる請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
誘電体エラストマー製の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を有し、該電極間への印加電圧が大きくなるに従って該誘電膜が伸長する筒状のアクチュエータ素子と、
該アクチュエータ素子の軸部に配置された中空部と、を備えてなり、
該中空部には、圧縮気体が封入されており、
該電極間への印加電圧を大きくし、該誘電膜を伸長させることにより、該圧縮気体の膨張力に従って変形することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項６】
前記アクチュエータ素子は、前記誘電膜と、該誘電膜の両面に配置されている一対の前記電極と、一対の該電極の一方の表面に配置されている絶縁膜と、を有する伸縮膜が、前記中空部の周囲に渦巻状に巻回されてなる請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記アクチュエータ素子は、前記中空部の周囲に前記誘電膜と前記電極とが交互に同心円状に積層されてなる請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記中空部は、前記アクチュエータ素子により袋状に形成されている請求項５ないし請求項７のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項９】
さらに、前記中空部の形状を保持するための保形部材を持つ請求項５ないし請求項８のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
さらに、前記中空部に前記圧縮気体を充填可能なバルブを備える請求項５ないし請求項９のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
軸直方向の最大直径が５ｍｍ未満である請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記電極は、エラストマーと導電材との混合材からなる請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のアクチュエータが、複数束ねられてなるアクチュエータ集束体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印加電圧に応じた誘電膜の伸縮により駆動力を出力するアクチュエータおよびアクチュエータ集束体に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用、介護用等のロボット、医療機器、マイクロマシン等の分野では、柔軟性が高く、小型で軽量なアクチュエータの必要性が高まっている。このようなアクチュエータ材料として、例えば、導電性高分子、イオン導電性高分子（ＩＣＰＦ）、誘電体エラストマー等の種々のポリマーが提案されている。
【０００３】
例えば、誘電体エラストマーを用いた電歪型アクチュエータとして、特許文献１には、ロール型のアクチュエータが紹介されている。すなわち、特許文献１に記載されたアクチュエータは、誘電体エラストマー膜と電極とを持つアクチュエータ素子が、圧縮されたコイルばねの外周に環装されてなる。アクチュエータ素子の電極に電圧を印加すると、誘電体エラストマー膜の膜厚が小さくなり、誘電体エラストマー膜は軸方向に伸長する。これにより、コイルばねに対する拘束力が小さくなり、コイルばね、つまりアクチュエータは軸方向に伸長する。
【０００４】
また、特許文献２には、誘電体エラストマー膜と電極とからなる筒状のアクチュエータ素子を備えるアクチュエータが紹介されている。アクチュエータ素子の電極に電圧を印加すると、上記特許文献１に記載のアクチュエータと同様、誘電体エラストマー膜の膜厚が小さくなり、誘電体エラストマー膜は軸方向に伸長する。これにより、アクチュエータは軸方向に伸長する。
【特許文献１】特表２００６−５２０１８０号公報
【特許文献２】特開２００３−２３０２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のアクチュエータの場合、電圧を印加してアクチュエータ素子が伸長する際、アクチュエータ素子の内径側に配置されているコイルばねは、直径を変えずに伸長する。このため、伸長時にアクチュエータ素子とコイルばねとが干渉し、アクチュエータの軸方向の変位が妨げられるおそれがある。反対に、電圧の印加をやめると、アクチュエータ素子は軸方向に収縮する。収縮するアクチュエータ素子からの拘束力により、コイルばねは軸方向に圧縮される。ここで、収縮する際、電圧印加により小さくなった誘電体エラストマー膜の膜厚は、元の厚さに復元すべく、大きくなる。一方、コイルばねは、直径を変えずに収縮する。このため、収縮時にアクチュエータ素子とコイルばねとが干渉し、例えば、コイルばねのピッチにアクチュエータ素子が噛み込まれるおそれがある。また、特許文献１のアクチュエータは、コイルばねを芯材とする。このため、アクチュエータを細く、小さくすることが難しい。さらに、コイルばねは剛体であるため、柔軟な動きを実現しにくい。
【０００６】
また、特許文献２のアクチュエータの場合、アクチュエータ素子が自然状態から伸長した分だけ変位する。しかしながら、特許文献２のアクチュエータには、アクチュエータ素子の伸長方向を配向する部材が配置されていない。このため、特許文献２のアクチュエータによると、伸長方向を一つの方向に揃えにくい。したがって、軸方向における変位量が小さい。
【０００７】
本発明は、このような実情に鑑みて完成されたものであり、小型化が容易で、柔軟で変位量の大きなアクチュエータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記課題を解決するため、本発明の第一のアクチュエータは、軸方向に弾性変形可能であって、弾性変形による体積変化がほぼなく、軸方向に連続する側周面を持つ棒状の芯材と、該芯材の周囲に環装され、誘電体エラストマー製の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を有し、該電極間への印加電圧が大きくなるに従って該誘電膜が伸長する筒状のアクチュエータ素子と、を備えてなり、該アクチュエータ素子は、予め軸方向に弾性変形した状態の該芯材に環装されており、該芯材の弾性復元力と該アクチュエータ素子の該芯材に対する拘束力とが釣り合った状態で、該芯材は停止しており、該電極間に電圧を印加することにより該誘電膜を伸長させ、該拘束力を小さくすることにより、該芯材の弾性復元力を利用して、軸方向に駆動力を出力可能なことを特徴とする（請求項１に対応）。
【０００９】
以下、原理図を用いて、本発明の第一のアクチュエータ（以下、本構成において、単に「本発明のアクチュエータ」と称す。構成（２）〜（４）において同じ。）の作用を説明する。ただし、以下に示す図１、図２は、本発明のアクチュエータの作用を説明するためだけのものであり、本発明のアクチュエータの構成、形状等を何ら限定するものではない。例えば、誘電膜の積層数、電極あるいは誘電膜の厚さ、電極の配置数、芯材の形状、芯材が中実か中空かなどを、何ら限定するものではない。
【００１０】
まず、図１に、本発明のアクチュエータにおけるアクチュエータ素子の原理図を示す。（ａ）は電圧印加前の状態を、（ｂ）は電圧印加中の状態を、それぞれ示す。図１に示すように、アクチュエータ素子ｂは、誘電膜ｂ１と電極ｂ２とを備えている。電極ｂ２は、誘電膜ｂ１の両面に配置されている。電極ｂ２は、スイッチｄ２および電源ｄ１と共に、電気回路を構成している。図１（ｂ）に示すように、スイッチｄ２を閉成すると、電極ｂ２間に電圧が印加される。これにより、電極ｂ２間の静電引力が大きくなる。このため、図１（ｂ）中、白抜き矢印で示すように、誘電膜ｂ１は、膜厚方向に収縮するように変形する。並びに、誘電膜ｂ１は、面展開方向に伸長するように変形する。よって、アクチュエータ素子ｂは、面展開方向に距離Ｌ１だけ伸長する。
【００１１】
次に、図１のアクチュエータ素子ｂを用いた本発明のアクチュエータの原理図を、図２に示す。（ａ）は電圧印加前の状態を、（ｂ）は電圧印加中の状態を、それぞれ示す。図２に示すように、アクチュエータａは、芯材ｃとアクチュエータ素子ｂとを備えている。アクチュエータ素子ｂは、芯材ｃの周囲に環装されている。図２において、芯材ｃは、自然状態に対して予め軸方向に弾性的に圧縮されている（勿論、予め伸長されていてもよい）。すなわち、アクチュエータ素子ｂは、予め軸方向に弾性的に圧縮変形した状態の芯材ｃの周囲に環装されている。このため、図２（ａ）において、芯材ｃの弾性復元力（伸長力）Ｆ１と、アクチュエータ素子ｂの芯材ｃに対する拘束力Ｆ２とは、釣り合っている。
【００１２】
この状態で、電極ｂ２間に電圧を印加すると、前出図１（ｂ）に示すように、距離Ｌ１だけアクチュエータ素子ｂが伸長する。このため、その分だけ、拘束力Ｆ２が小さくなる。したがって、拘束力Ｆ２が小さくなった分だけ、図２（ｂ）で示すように、芯材ｃの弾性復元力Ｆ１により、アクチュエータａが距離Ｌ２だけ伸長する。アクチュエータａの伸長は、再び弾性復元力Ｆ１と拘束力Ｆ２とが釣り合う位置で停止する。
【００１３】
以上説明したように、本発明のアクチュエータａは、拘束力Ｆ２を変化させることにより、弾性復元力Ｆ１と拘束力Ｆ２との釣り合い位置を変化させて、アクチュエータａを伸長あるいは収縮させ、駆動力を出力するものである。
【００１４】
本発明のアクチュエータの芯材は、棒状を呈し、弾性変形しても体積がほとんど変わらない。つまり、軸方向に伸長した場合には縮径し、収縮した場合には拡径する。このため、本発明のアクチュエータによると、伸長時に芯材とアクチュエータ素子とが干渉しにくい。また、芯材は、軸方向に連続する側周面を持つ。このため、圧縮されても、例えばコイルばねのように、アクチュエータ素子を噛み込むおそれはない。
【００１５】
本発明のアクチュエータによると、アクチュエータ素子の伸縮方向が芯材により軸方向に配向される。このため、軸方向の変位量が大きい。また、本発明のアクチュエータは、芯材の弾性復元力とアクチュエータ素子の拘束力との釣り合い位置の変化により伸縮し、駆動力を出力する。このため、アクチュエータの姿勢によらず、安定した動作が可能となる。また、アクチュエータ素子は芯材に環装されている。このため、小型化しやすい。また、誘電膜の種類、積層数、膜厚や、電極対の数、配置等を変化させることにより、本発明のアクチュエータにおける駆動力や変位量等を容易に調整することができる。
【００１６】
（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記芯材は、エラストマーからなる構成とするとよい（請求項２に対応）。
【００１７】
エラストマーのポアソン比は０．５に近い。このため、弾性変形による体積変化が起こりにくい。また、エラストマーによれば、様々な大きさ、形状の芯材を簡単に作製することができる。例えば、押出し加工や、紡糸技術等を利用して、より細く、小さな芯材を作製しやすい。これにより、本発明のアクチュエータをより細く、小さくすることができる。また、芯材をエラストマー製とすることで、より柔軟な動きを実現することができる。このように、本構成によると、例えば、人工筋肉への適用が容易になる。
【００１８】
（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記アクチュエータ素子は、前記誘電膜と、該誘電膜の両面に配置されている一対の前記電極と、一対の該電極の一方の表面に配置されている絶縁膜と、を有する伸縮膜が、前記芯材の周囲に渦巻状に巻回されてなる構成とするとよい（請求項３に対応）。
【００１９】
本構成によると、芯材に所定の伸縮膜を巻き付けることにより、本発明のアクチュエータを簡単に作製することができる。また、伸縮膜の巻回数の調整が容易である。これにより、所望の駆動力、変位量を容易に得ることができる。また、伸縮膜において、一方の電極表面には絶縁膜が配置されている。このため、巻回された伸縮膜において、隣接する電極同士は接触しない。よって、隣接する電極間の導通を防止することができる。
【００２０】
（４）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記アクチュエータ素子は、前記芯材の周囲に前記誘電膜と前記電極とが交互に同心円状に積層されてなる構成とするとよい（請求項４に対応）。
【００２１】
本構成によると、本発明のアクチュエータを簡単に作製することができる。また、積層させる誘電膜数等を調整することにより、所望の駆動力、変位量を容易に得ることができる。また、積層された各誘電膜層において、印加電圧を効率よく誘電膜の伸長に使用することができる。
【００２２】
（５）また、上記課題を解決するため、本発明の第二のアクチュエータは、誘電体エラストマー製の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を有し、該電極間への印加電圧が大きくなるに従って該誘電膜が伸長する筒状のアクチュエータ素子と、該アクチュエータ素子の軸部に配置された中空部と、を備えてなり、該中空部には、圧縮気体が封入されており、該電極間への印加電圧を大きくし、該誘電膜を伸長させることにより、該圧縮気体の膨張力に従って変形することを特徴とする（請求項５に対応）。
【００２３】
本発明の第二のアクチュエータ（以下、本構成において、単に「本発明のアクチュエータ」と称す。構成（６）〜（１０）において同じ。）は、上記本発明の第一のアクチュエータにおける芯材に替えて、圧縮気体が封入された中空部を備える。中空部の周囲には、筒状のアクチュエータ素子が配置されている。アクチュエータ素子は、圧縮気体の膨張力により伸張された状態で配置されている。ここで、圧縮気体の膨張力とアクチュエータ素子の拘束力とは、釣り合っている。
【００２４】
前出図１で説明したように、アクチュエータ素子の電極間に電圧を印加すると、アクチュエータ素子は面展開方向に伸長する。このため、その分だけ、アクチュエータ素子の中空部に対する拘束力が小さくなる。したがって、拘束力が小さくなった分だけ、圧縮気体の膨張力により、アクチュエータ素子は膨張する。すなわち、本発明のアクチュエータは膨張する。一方、電圧の印加を停止すると、アクチュエータ素子は面展開方向に収縮する。ここで、アクチュエータ素子は、中空部に充填された気体を圧縮しながら収縮する。アクチュエータ素子の拘束力と圧縮気体の膨張力とが釣り合う位置まで、本発明のアクチュエータは収縮する。
【００２５】
このように、本発明のアクチュエータは、中空部に対する拘束力を変化させることにより、圧縮気体の膨張力と拘束力との釣り合い位置を変化させて、アクチュエータを膨張あるいは収縮させ、駆動力を出力するものである。したがって、アクチュエータの姿勢によらず、安定した動作が可能となる。また、芯材が不要なため、小型化しやすい。また、圧縮気体の物性、充填圧力、誘電膜の種類、積層数、膜厚や、電極対の数、配置等を変化させることにより、本発明のアクチュエータにおける駆動力や変位量等を容易に調整することができる。
【００２６】
（６）好ましくは、上記（５）の構成において、前記アクチュエータ素子は、前記誘電膜と、該誘電膜の両面に配置されている一対の前記電極と、一対の該電極の一方の表面に配置されている絶縁膜と、を有する伸縮膜が、前記中空部の周囲に渦巻状に巻回されてなる構成とするとよい（請求項６に対応）。
【００２７】
本構成によると、所定の伸縮膜を巻回して本発明のアクチュエータを簡単に作製することができる。また、伸縮膜の巻回数の調整が容易である。これにより、所望の駆動力、変位量を容易に得ることができる。また、伸縮膜において、一方の電極表面には絶縁膜が配置されている。このため、巻回された伸縮膜において、隣接する電極同士は接触しない。よって、隣接する電極間の導通を防止することができる。
【００２８】
（７）好ましくは、上記（５）の構成において、前記アクチュエータ素子は、前記中空部の周囲に前記誘電膜と前記電極とが交互に同心円状に積層されてなる構成とするとよい（請求項７に対応）。
【００２９】
本構成によると、本発明のアクチュエータを簡単に作製することができる。また、積層させる誘電膜数等を調整することにより、所望の駆動力、変位量を容易に得ることができる。また、積層された各誘電膜層において、印加電圧を効率よく誘電膜の伸長に使用することができる。
【００３０】
（８）好ましくは、上記（５）ないし（７）のいずれかの構成において、前記中空部は、前記アクチュエータ素子により袋状に形成されている構成とするとよい（請求項８に対応）。本構成によると、中空部を形成するために新たな部品を使用する必要がない。つまり、部品点数が少なくてよい。
【００３１】
（９）好ましくは、上記（５）ないし（８）のいずれかの構成において、さらに、前記中空部の形状を保持するための保形部材を持つ構成とするとよい（請求項９に対応）。本構成によると、保形部材により、中空部を所望の形状に形成することができる。また、保形部材を用いると、アクチュエータ素子を配置しやすい。このため、本発明のアクチュエータの作製が容易になる。また、アクチュエータ素子の変形方向を、所望の方向に設定しやすい。
【００３２】
（１０）好ましくは、上記（５）ないし（９）のいずれかの構成において、さらに、前記中空部に前記圧縮気体を充填可能なバルブを備える構成とするとよい（請求項１０に対応）。本構成によると、中空部への圧縮気体の充填が容易になる。また、排出が必要な場合（勿論、排出しなくてもよい）は、排出も容易になる。したがって、例えば、使用途中で圧縮気体の圧力（膨張力）が低下した場合には、圧縮気体を補充することができるなど、メンテナンスがしやすい。
【００３３】
（１１）好ましくは、上記（１）ないし（１０）のいずれかの構成において、軸直方向の最大直径が５ｍｍ未満である構成とするとよい（請求項１１に対応）。上述したように、本発明の第一のアクチュエータは、棒状の芯材と、その周囲に環装されたアクチュエータ素子と、を備えてなる。また、本発明の第二のアクチュエータは、筒状のアクチュエータ素子と、その軸部に配置された中空部と、を備えてなる。これら本発明の第一、第二の各アクチュエータ（以下、特に明示しない場合は、両者をまとめて「本発明のアクチューエータ」と称す）の軸方向、軸直方向の大きさは、特に限定されるものではない。例えば、本構成によると、軸直方向の最大直径が５ｍｍ未満の細い紐状のアクチュエータを構成することができる。この場合、より低電圧で駆動することが可能となる。さらに、軸直方向の最大直径を０．５ｍｍ未満として、さらに細い繊維状のアクチュエータを構成してもよい。これら、紐状、繊維状のアクチュエータは、人工筋肉に適している。
【００３４】
（１２）好ましくは、上記（１）ないし（１１）のいずれかの構成において、前記電極は、エラストマーと導電材との混合材からなる構成とするとよい（請求項１２に対応）。  電極が誘電膜と共に伸縮しにくいと、電極により誘電膜の伸縮が妨げられる。この点、本構成によると、電極は、導電材に加えて柔軟なエラストマーを含んだ混合材からなる。したがって、電極は誘電膜と一体となって伸長、収縮することができる。このため、誘電膜の伸縮を妨げにくく、所望の変位量を得やすい。
【００３５】
（１３）本発明のアクチュエータ集束体は、上記（１）ないし（１２）のいずれかの構成のアクチュエータが、複数束ねられてなることを特徴とする（請求項１３に対応）。上記本発明のアクチュエータを複数束ねることにより、より大きな駆動力を出力することができる。特に、上記本発明のアクチュエータが紐状や繊維状の場合には、本発明のアクチュエータ集束体として好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明のアクチュエータおよびアクチュエータ集束体の実施の形態について説明する。
【００３７】
＜第一実施形態＞
［アクチュエータの構成］
まず、本実施形態のアクチュエータの構成について説明する。図３に、本実施形態のアクチュエータの斜視図を示す。図４に、同アクチュエータの斜視分解図を示す。図５に、同アクチュエータの軸直方向断面図を示す。図６に、同アクチュエータの軸方向断面図を示す。図３〜図６に示すように、本実施形態のアクチュエータ１は、芯材２とアクチュエータ素子３とを備えている。
【００３８】
芯材２は、エラストマー製であって、丸棒状を呈している。アクチュエータ素子３は、円筒状を呈している。アクチュエータ素子３は、帯状の伸縮膜３０からなる。アクチュエータ素子３は、芯材２の外周面に環装されている。具体的には、アクチュエータ素子３は、伸縮膜３０が芯材２の外周面に渦巻状に巻回されることにより、芯材２に環装されている。なお、伸縮膜３０は、予め軸方向に弾性的に伸長された芯材２に巻回されている。この点については、後で詳しく説明する。
【００３９】
伸縮膜３０は、誘電膜３００と電極３０１と絶縁膜３０２とを備えている。誘電膜３００は、アクリルゴム製である。電極３０１は、導電性カーボンとエラストマーとを混合したエラストマー膜（混合材）からなる。電極３０１は、誘電膜３００の両面に、一対配置されている。電極３０１は、前出図１に示すように、電源およびスイッチと電気的に接続されている。絶縁膜３０２は、アクリルゴム製であって、一対の電極３０１のうち、径方向外側の電極３０１の外周面に固定されている。
【００４０】
伸縮膜３０は、図５に示すように、芯材２の外周面に、略五層になるように巻き付けられている。図６に点線枠で示すように、芯材２の軸方向両端部分においては、芯材２と最内層の伸縮膜３０、および径方向に隣り合う伸縮膜３０同士が、互いに接着されている。また、アクチュエータ１の軸直方向の直径は約５ｍｍである。
【００４１】
［アクチュエータの製造方法］
次に、本実施形態のアクチュエータ１の製造方法について説明する。図７に、本実施形態のアクチュエータ１の製造方法の模式図を示す。本実施形態のアクチュエータ１の製造方法は、芯材伸長工程と伸縮膜巻回工程とを有している。図７（ａ）は芯材伸長工程を示す側面図である。図７（ｂ）は伸縮膜巻回工程を示す斜視図である。芯材伸長工程においては、図７（ａ）に示すように、自然状態（図７（ａ）中、点線で示す）の芯材２を、軸方向に弾性的に伸長させる。伸縮膜巻回工程においては、図７（ｂ）に示すように、予め作製済みの伸縮膜３０を、伸長させた状態の芯材２の外周面に巻き付ける。このようにして、本実施形態のアクチュエータ１を製造する。
【００４２】
完成したアクチュエータ１の芯材２は、伸縮膜３０により、径方向外側から拘束されている。このため、アクチュエータ１は、芯材２の収縮方向の弾性復元力と、伸縮膜３０の芯材２に対する拘束力と、が釣り合った状態で、停止している。
【００４３】
［アクチュエータの動き］
次に、本実施形態のアクチュエータ１の動きについて説明する。まず、電圧印加時の動きについて説明する。図８に、本実施形態のアクチュエータ１の電圧印加中における軸方向断面図を示す。なお、図８中、点線は、電圧印加前（前出図６参照）における芯材２の形状を示す。前出図６に示す状態において、一対の電極３０１間に電圧を印加すると、誘電膜３００が表裏方向（膜厚方向）に圧縮される。このため、誘電膜３００の膜厚が小さくなる。膜厚が小さくなると、その分、誘電膜３００の面積が広くなる。したがって、誘電膜３００は、電極３０１、絶縁膜３０２と共に伸長する。すなわち、伸縮膜３０は伸長する。伸縮膜３０が伸長すると、その分、伸縮膜３０の芯材２に対する拘束が緩くなる。このため、伸縮膜３０の芯材２に対する拘束力が小さくなる。拘束力が小さくなると、それまで釣り合っていた、芯材２の収縮方向の弾性復元力と、伸縮膜３０の芯材２に対する拘束力と、のバランスが崩れる。すなわち、弾性復元力が拘束力よりも大きくなる。したがって、図８に示すように、弾性復元力により、芯材２すなわちアクチュエータ１が収縮変形する。
【００４４】
次に、電圧除去時の動きについて説明する。図８に示す状態において、一対の電極３０１間の電圧を除去すると、誘電膜３００の表裏方向に作用していた圧縮力が除去される。このため、誘電膜３００の膜厚が大きくなる。膜厚が大きくなると、その分、誘電膜３００の面積が狭くなる。したがって、誘電膜３００は、電極３０１、絶縁膜３０２と共に収縮する。すなわち、伸縮膜３０は収縮する。伸縮膜３０が収縮すると、芯材２は伸縮膜３０により径方向外側から圧縮される。そして、圧縮された分だけ、芯材２は軸方向に弾性的に伸長する。最終的には、伸長により増加する芯材２の収縮方向の弾性復元力と、伸縮膜３０の芯材２に対する拘束力と、が釣り合う位置でアクチュエータ１は停止する。つまり、前出図６に示す状態まで復帰する。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態のアクチュエータ１は、電圧印加により図６の状態から図８の状態に切り替わる。すなわち、収縮する。並びに、電圧除去により図８の状態から図６の状態に切り替わる。すなわち、伸長する。このように、収縮、伸長することにより、例えば芯材２に接続された相手側部材（図略）を駆動することができる。
【００４６】
［作用効果］
次に、本実施形態のアクチュエータの作用効果について説明する。アクチュエータ１によると、芯材２はエラストマー製である。このため、柔軟な動きが可能である。また、直径が小さいものでも、エラストマーから容易に作製することができる。また、芯材２は、弾性変形しても体積がほとんど変わらない。つまり、軸方向に伸長した場合には縮径し、収縮した場合には拡径する。このため、アクチュエータ１において、伸縮時に芯材２と伸縮膜３０（アクチュエータ素子３）とが干渉しにくい。加えて、芯材２は、丸棒状を呈している。つまり、芯材２の側周面は軸方向に連続している。よって、圧縮時において、芯材２により伸縮膜３０が噛み込まれるおそれはない。
【００４７】
また、アクチュエータ１は、芯材２の弾性復元力と伸縮膜３０の拘束力との釣り合い位置の変化により伸縮し、駆動力を出力する。このため、アクチュエータ１の姿勢によらず、安定した動作が可能となる。また、アクチュエータ１によると、伸縮膜３０の伸縮方向が芯材２により軸方向に規制される。このため、軸方向の変位量が大きい。また、電極３０１および絶縁膜３０２は、誘電膜３００と一体となって変形する。このため、誘電膜３００の変形が、電極３０１および絶縁膜３０２により妨げられにくい。よって、所望の変位量を得やすく、駆動力の低下が少ない。
【００４８】
また、伸縮膜３０は芯材２に略五層に巻回されている。前出図７に示したように、伸長させた芯材２に伸縮膜３０を巻き付けるだけで、アクチュエータ１を簡単に作製することができる。さらに、アクチュエータ１をコンパクトに構成することができる。また、巻回された伸縮膜３０において、径方向外側の電極３０１の外周面には、絶縁膜３０２が配置されている。このため、隣接する電極３０１同士は接触しない。よって、隣接する電極３０１間の導通を防止することができる。また、一対の電極３０１に対して電圧を印加、除去するだけで、伸縮膜３０を伸縮させることができるため、電気配線が容易である。また、アクチュエータ１は、軸直方向の直径が約５ｍｍと小さいので、例えば人工筋肉として好適である。
【００４９】
＜第二実施形態＞
本実施形態のアクチュエータと第一実施形態のアクチュエータとの相違点は、芯材が自然状態に対して伸長された状態ではなく圧縮された状態で、伸縮膜が巻回されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
【００５０】
図９に、本実施形態のアクチュエータの製造方法の模式図を示す。なお、図７と対応する部位については同じ符号で示す。本実施形態のアクチュエータの製造方法は、芯材圧縮工程と伸縮膜巻回工程とを有している。図９（ａ）は芯材圧縮工程を示す側面図である。図９（ｂ）は伸縮膜巻回工程を示す斜視図である。芯材圧縮工程においては、図９（ａ）に示すように、自然状態（図９（ａ）中、点線で示す）の芯材２を、軸方向に弾性的に圧縮させる。伸縮膜巻回工程においては、図９（ｂ）に示すように、予め作製済みの伸縮膜３０を、圧縮させた状態の芯材２の外周面に、巻き付ける。このようにして、本実施形態のアクチュエータを製造する。
【００５１】
図１０に、本実施形態のアクチュエータの電圧印加中における軸方向断面図を示す。なお、図８と対応する部位については、同じ符号で示す。また、図１０中、点線は、電圧印加前におけるアクチュエータの形状を示す。
【００５２】
本実施形態のアクチュエータ１は、第一実施形態とは逆の動きをする。並びに、前出図２の原理図と同様の動きをする。すなわち、電圧を印加すると、芯材２に対する伸縮膜３０の拘束力が小さくなる。このため、芯材２つまりアクチュエータ１は、伸長方向の弾性復元力により、伸長する。反対に、電圧を除去すると、伸縮膜３０は軸方向に収縮する。第一実施形態の図６に点線枠で示すように、芯材２の軸方向両端部分においては、芯材２と最内層の伸縮膜３０、および径方向に隣り合う伸縮膜３０同士が、互いに接着されている。このため、伸縮膜３０が軸方向に収縮すると、芯材２も、伸長方向の弾性復元力を蓄積しながら、軸方向に収縮する。したがって、アクチュエータ１も軸方向に収縮する。このように、伸長、収縮することにより、例えば芯材２に接続された相手側部材（図略）を駆動することができる。
【００５３】
本実施形態のアクチュエータ１は、第一実施形態のアクチュエータと同様の作用効果を有する。
【００５４】
＜第三実施形態＞
本実施形態のアクチュエータと第一実施形態のアクチュエータとの相違点は、アクチュエータ素子の構成が異なる点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
【００５５】
図１１に、本実施形態のアクチュエータの軸直方向断面図を示す。なお、図５と対応する部位については同じ符号で示す。図１１に示すように、本実施形態のアクチュエータ１の芯材２の外周面には、断面が年輪状のアクチュエータ素子３が環装されている。詳しく説明すると、芯材２の周囲には、電極３０１と誘電膜３００とが、径方向に交互に積層されている。電極３０１と誘電膜３００とは、各々円筒状を呈している。つまり、電極３０１と誘電膜３００とは、交互に同心円状に積層されている。任意の誘電膜３００は、径方向両側から、一対の電極３０１により挟まれている。誘電膜３００は合計五層、電極３０１は合計六層、積層されている。
【００５６】
本実施形態のアクチュエータ１は、電極３０１を形成するための電極材溶液、誘電膜３００を形成するための誘電材溶液に、芯材２を交互にディッピングして製造することができる。あるいは、芯材２に電極材溶液、誘電材溶液を交互にスプレーして製造してもよい。
【００５７】
本実施形態のアクチュエータ１は、構成が共通する部分に関しては、第一実施形態のアクチュエータと同様の作用効果を有する。また、電極３０１間に電圧を印加すると、電極３０１間に挟まれている各々の誘電膜３００の全てを伸長させることができる。このため、より効率的に駆動力および変位を発生させることができる。
【００５８】
＜第四実施形態＞
本実施形態のアクチュエータと第一実施形態のアクチュエータとの相違点は、主に芯材が配置されていない点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
【００５９】
図１２に、本実施形態のアクチュエータの軸方向断面図を示す。図１２に示すように、本実施形態のアクチュエータ１は、アクチュエータ素子５と中空部６とバルブ７とを備えている。アクチュエータ１の軸直方向の直径は約１０ｍｍである。
【００６０】
アクチュエータ素子５は、袋状を呈している。アクチュエータ素子５は、電極５０１と誘電膜５００とが、内外方向に向かって、交互に積層されることにより、形成されている。任意の誘電膜５００は、内外方向両側から、一対の電極５０１により挟まれている。誘電膜５００は合計三層、電極５０１は合計四層、積層されている。
【００６１】
最内層の電極５０１の内側には、中空部６が区画されている。バルブ７は、アクチュエータ素子５の開口部を封止している。中空部６には、バルブ７を介して、圧縮気体（例えば窒素など）が封入されている。
【００６２】
図１３に、本実施形態のアクチュエータ１の電圧印加中における軸方向断面図を示す。各電極５０１に、各誘電膜５００に加わる電圧が等しくなるように、電圧を印加すると、誘電膜５００が、膜厚方向に圧縮され、面展開方向に伸長する。並びに、電極５０１も誘電膜５００と一緒に伸長する。ここで、中空部６には、圧縮気体が封入されている。したがって、圧縮気体の膨張力により、アクチュエータ素子５は、膨張する。
【００６３】
電圧を除去すると、誘電膜５００の膜厚方向に作用していた圧縮力が除去される。このため、誘電膜５００が面展開方向に収縮する。したがって、アクチュエータ素子５も、中空部６に充填された気体を圧縮しながら、収縮する。アクチュエータ素子５の収縮力と、中空部６の気体の膨張力と、が釣り合う位置で、アクチュエータ１は停止する。すなわち、図１２に示す状態で、アクチュエータ１は停止する。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態のアクチュエータ１は、電圧印加により図１２の状態から図１３の状態に切り替わる。すなわち、膨張する。並びに、電圧除去により図１３の状態から図１２の状態に切り替わる。すなわち、収縮する。このように、膨張、収縮することにより、例えばアクチュエータ素子５に接続された相手側部材（図略）を駆動することができる。
【００６５】
本実施形態のアクチュエータ１は、構成が共通する部分に関しては、第一実施形態のアクチュエータと同様の作用効果を有する。また、本実施形態のアクチュエータ１は、中空部６における圧縮気体の膨張力とアクチュエータ素子５の拘束力との釣り合い位置の変化により膨張、収縮し、駆動力を出力する。このため、アクチュエータ１の姿勢によらず、安定した動作が可能となる。また、本実施形態のアクチュエータ１によると、圧縮気体の充填圧力を調整することで、幅広い駆動力を発生させることができる。
【００６６】
また、本実施形態のアクチュエータ１によると、中空部６がアクチュエータ素子５により袋状に形成されている。このため、中空部６を形成するために新たな部品を使用する必要がない。また、中空部６にバルブ７が配置されているため、バルブ７を介して、圧縮気体を容易に充填、排出することができる。
【００６７】
＜その他＞
以上、本発明のアクチュエータの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【００６８】
例えば、上記第一〜第三実施形態では、丸棒状の芯材を使用した。しかし、芯材の形状、大きさ等は特に限定されるものではない。また、芯材は、中実、中空を問わない。また、芯材は、軸方向に弾性変形可能であって、弾性変形による体積変化がほぼなく、軸方向に連続する側周面を持つものであればよい。このような芯材材料としては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、天然ゴム（ＮＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、ヒドリン系ゴム、クロロプレンゴム（ＣＲ）、フッ素ゴム、ウレタンゴム等のエラストマーが好適である。
【００６９】
また、上記実施形態では、アクリルゴム製の誘電膜を使用した。しかし、誘電膜の材質は、表裏一対の電極間の静電引力に応じて変形するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、誘電性、絶縁破壊強度が高い誘電体エラストマーとして、上記アクリルゴムの他、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム等が挙げられる。また、誘電膜の形状、厚さも特に限定されず、アクチュエータの用途等に応じて適宜決定すればよい。例えば、アクチュエータの小型化、低電位駆動化、および変位量を大きくする等の観点からは、誘電膜の厚さは小さい方が望ましい。この場合、絶縁破壊強度等をも考慮して、誘電膜の厚さを、１μｍ以上１０００μｍ（１ｍｍ）以下とするとよい。５μｍ以上２００μｍ以下とするとより好適である。
【００７０】
また、電極の材質は、上記実施形態に限定されるものではないが、誘電膜の伸縮に応じて伸縮可能であることが望ましい。電極が、誘電膜と共に伸縮すると、誘電膜の変形が電極によって妨げられにくく、より所望の変位量を得やすくなる。例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素材料からなる導電材に、バインダーとしてオイルやエラストマーを混合したペーストまたは塗料を塗布して、電極を形成するとよい。バインダーとなるエラストマーとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、天然ゴム（ＮＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、ヒドリン系ゴム、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ウレタンゴム等の柔軟なものが好適である。また、誘電膜の伸縮性をより向上させるため、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の導電性微粉体を、誘電膜の表面に直接付着させて電極を形成してもよい。
【００７１】
また、上記第一、第二実施形態では、絶縁膜を有する伸縮膜を巻回してアクチュエータ素子を構成した。ここで、絶縁膜の材質は、隣接する電極間の導通を防止することができれば、特に限定されない。例えば、上記電極と同様、誘電膜の伸縮に応じて伸縮可能であることが望ましい。例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、天然ゴム（ＮＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、ヒドリン系ゴム、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ウレタンゴム等の柔軟なものが好適である。絶縁膜を誘電膜と同じ材質にすると、より大きな駆動力を得ることができる。
【００７２】
上記第一、第二実施形態では、電極の表面全体を覆うように絶縁膜を配置した。しかし、隣接する電極間の導通を防止することができれば、絶縁膜を電極の表面の一部のみに配置してもよい。また、上記第一、第二実施形態のように、アクチュエータ素子の最外層が、誘電体エラストマー製の絶縁膜である場合には、その表面にさらに電極を配置してもよい。こうすると、最外層の絶縁膜をも誘電膜と同様に変形させることができるため、より大きな駆動力を得ることができる。
【００７３】
上記第一〜第三実施形態では、アクチュエータの軸直方向の直径を約５ｍｍとし、上記第四実施形態では、同直径を約１０ｍｍとした。しかし、本発明のアクチュエータの軸方向、軸直方向の大きさは、特に限定されるものではない。また、上記実施形態のアクチュエータは、単独で使用してもよく、複数束ねて本発明のアクチュエータ集束体としてもよい。こうすると、より大きな駆動力を出力することができる。特に、上記実施形態のような紐状のアクチュエータ、およびさらに細い繊維状のアクチュエータは、本発明のアクチュエータ集束体に好適である。上記実施形態の紐状のアクチュエータ、およびそれを束ねたアクチュエータ集束体は、例えば人工筋肉等として有用である。また、上記実施形態のアクチュエータの複数をメリヤス編み等により編んで使用してもよい。さらに、本発明のアクチュエータ集束体を同様に編んで使用してもよい。
【００７４】
上記第一、第二実施形態では、伸縮膜を略五層に巻きつけて、つまり、誘電膜を略五層に積層してアクチュエータを構成した。また、上記第三、第四実施形態では、各々誘電膜を五層、三層に積層させた。しかし、誘電膜の積層数（伸縮膜の巻回数）は、特に限定されるものではない。誘電膜の積層数を多くすると、より駆動力を大きくすることができる。
【００７５】
また、芯材と伸縮膜、伸縮膜同士、電極と誘電膜の固定場所、固定方法は、特に限定されるものではない。芯材の軸方向両端部分をかしめて固定してもよく、また、軸方向の全体に亘り、芯材と伸縮膜等とを接着してもよい。
【００７６】
また、上記第四実施形態において、中空部に充填する気体の種類は特に限定されない。例えば、圧力変化に対する体積変化が大きい気体が望ましい。また、中空部の形状を保持するための保形部材を配置してもよい。
【００７７】
また、上記実施形態では、アクチュエータを、オフ状態（０Ｖ）からオン状態に切り替えて作動させた。しかし、作動前の電圧値は必ずしも０Ｖである必要はない。例えば、所定の電圧値から印加電圧を大きくして作動させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明のアクチュエータおよびアクチュエータ集束体は、例えば、パワーアシストスーツ、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉、電子部品冷却用や医療用等の小型ポンプ、医療用器具等に有用であり、さらに、モータ等機械式アクチュエータおよび圧電素子アクチュエータ等のすべてのアクチュエータの代替として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明のアクチュエータにおけるアクチュエータ素子の原理図である。
【図２】本発明のアクチュエータの原理図である。
【図３】本発明の第一実施形態のアクチュエータの斜視図である。
【図４】同アクチュエータの斜視分解図である。
【図５】同アクチュエータの軸直方向断面図である。
【図６】同アクチュエータの軸方向断面図である。
【図７】（ａ）は同アクチュエータの製造方法における芯材伸長工程を示す側面図である。（ｂ）は同製造方法における伸縮膜巻回工程を示す斜視図である。
【図８】同アクチュエータの電圧印加中における軸方向断面図である。
【図９】（ａ）は本発明の第二実施形態のアクチュエータの製造方法における芯材圧縮工程を示す側面図である。（ｂ）は同製造方法における伸縮膜巻回工程を示す斜視図である。
【図１０】同アクチュエータの電圧印加中における軸方向断面図である。
【図１１】本発明の第三実施形態のアクチュエータの軸直方向断面図である。
【図１２】本発明の第四実施形態のアクチュエータの軸方向断面図である。
【図１３】同アクチュエータの電圧印加中における軸方向断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１：アクチュエータ  ２：芯材  ３：アクチュエータ素子
３０：伸縮膜  ３００：誘電膜  ３０１：電極  ３０２：絶縁膜
５：アクチュエータ素子  ５００：誘電膜  ５０１：電極
６：中空部  ７：バルブ
ａ：アクチュエータ  ｂ：アクチュエータ素子  ｂ１：誘電膜  ｂ２：電極  ｃ：芯材
ｄ１：電源  ｄ２：スイッチ
【図１】
2008251833.tif 000003
【図２】
2008251833.tif 000004
【図３】
2008251833.tif 000005
【図４】
2008251833.tif 000006
【図５】
2008251833.tif 000007
【図６】
2008251833.tif 000008
【図７】
2008251833.tif 000009
【図８】
2008251833.tif 000010
【図９】
2008251833.tif 000011
【図１０】
2008251833.tif 000012
【図１１】
2008251833.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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