(57)【要約】【課題】  大きな駆動力の出力が可能で、かつ絶縁破壊が発生しにくく信頼性の高い、電場で駆動するアクチュエータを提供する。また、上記のアクチュエータを用いて、ロボット等の駆動に利用できる駆動装置を提供する。【解決手段】  一対または複数の電極と、少なくとも一対の前記電極の間に配置され、電極への電圧印加により生じる電場の方向と垂直な方向に伸縮する伸縮体とを有するアクチュエータであって、電極と伸縮体の間に半導電層を有することを特徴とするアクチュエータとする。また上記のアクチュエータを、骨格部材と組合せて駆動装置とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対または複数の電極と、少なくとも一対の前記電極の間に配置され、前記電極への電圧印加により生じる電場の方向と垂直な方向に伸縮する伸縮体とを有するアクチュエータであって、
前記電極と前記伸縮体の間に半導電層を有することを特徴とするアクチュエータ。  
【請求項２】
前記電極が平板状である請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記電極が線状である請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
複数の前記電極は、前記半導電層で被覆されており、前記伸縮体を前記電極間に挟持した状態で束ねられていることを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
半導電層で被覆された電極のうち少なくとも１つの電極は、さらに伸縮体で覆われている請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記電極は、伸縮体の伸縮に対して追随可能なように伸縮可能であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記電極は、導電性有機物である請求項６に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記半導電層の電気抵抗率が１０３Ωｃｍ以上１０５Ωｃｍ以下である請求項１から請求項７のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項９】
請求項１から請求項８いずれかに記載のアクチュエータと、骨格部材とを備える駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外場、特に電場に応答して変位するアクチュエータおよびアクチュエータを用いた駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクス、ロボット工学、医療などの分野において、人間の筋肉のように動作をするアクチュエータは、人工筋肉として、ロボットアームや義手、あるいはマイクロマシンやポンプ等への応用が期待されている。
【０００３】
人工筋肉等に利用されるアクチュエータとしては、電場により歪む材料や電場により圧力を発生する材料を伸縮体とし、その伸縮層を電極で挟んで電圧を印加するアクチュエータが提案されている。例えば、高分子を用いたアクチュエータ、高分子液晶あるいは液晶エラストマーを用いたアクチュエータ、無機材料電歪素子を用いたアクチュエータ、無機有機複合系インターカレーション物質を用いたアクチュエータ、などである。
【０００４】
特許文献１には、ＨＴｉＮｂＯ５などのホスト無機層状物質と、このホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも１種類以上のゲスト有機物質からなり、少なくとも１種類以上のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる無機有機複合材料を用いたアクチュエータが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３０６５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ロボット等で利用されるアクチュエータは、小型軽量でかつ大きな駆動力を有することが望まれている。電場により駆動するアクチュエータにおいては、伸縮体を薄くして正負電極間を短くし、あるいは電圧を大きくすることにより、大きな電場を発生させ、大きな駆動力を得ることができる。したがって、電場により駆動するアクチュエータでは、大きな電場でも安定して動作可能であることが要求されている。
【０００７】
図１は、電場により駆動する従来のアクチュエータの断面模式図であり、平板状の伸縮体２を電極１で挟んだ構造になっている。しかしながら、図１のような従来のアクチュエータでは、電極間距離のばらつき等により、電極間距離が短くなって伸縮体に局所的に電場が極度に大きくなる部分が生じ、絶縁破壊が発生する可能性がある。さらには、電圧印加を繰り返すことにより、電極の一部が伸縮体から剥離して電極と伸縮体の間に空隙が生じた場合にも、その空隙に放電が生じて絶縁破壊が発生する可能性がある。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、前記課題を解決するために、大きな駆動力の出力が可能で、かつ絶縁破壊が発生しにくく信頼性の高い、電場で駆動するアクチュエータを提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記のアクチュエータを用いて、ロボット等の駆動に利用できる駆動装置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、一対または複数の電極と、少なくとも一対の前記電極の間に配置され、電極への電圧印加により生じる電場の方向と垂直な方向に伸縮する伸縮体とを有するアクチュエータであって、電極と伸縮体の間に半導電層を有することを特徴とするアクチュエータを提供する（請求項１）。
【００１０】
電極と伸縮体の間に半導電層を有することにより、電極間距離のばらつきが存在しても、半導電層により電荷が分散するので、伸縮体中で局所的に電場が大きくなることを防止することができる。また、電極と伸縮体の間に空隙が存在しても、やはり半導電層により電荷が分散するので、部分放電が生じることはない。
【００１１】
また、アクチュエータの電極を平板状とすることができる（請求項２）。電極を平板状とすることにより、伸縮体、半導電層を、蒸着法や塗布法などの成膜積層プロセスにより形成することができる。
【００１２】
あるいは、アクチュエータの電極を線状とすることもできる（請求項３）。線状とすることにより、銅線などの電線を電極とすることができ、銅線への絶縁被覆のコーティングと同様な工程で、半導電層や伸縮体を形成することができる。
【００１３】
また、線状の電極表面を半導電層で被覆して、伸縮体を電極間に挟持した状態で束ねてアクチュエータとすることもできる（請求項４）。また、線状の電極表面を半導電層で被覆し、さらに伸縮体層で被覆し、束ねてアクチュエータとすることもできる（請求項５）。上記のように、電線を束ねたアクチュエータとすることにより、生体が有する筋肉と類似形状の人工筋肉などを作製することが可能となる。
【００１４】
また、電極は伸縮体の伸縮に対して追随可能なように伸縮することが望ましい（請求項６）。伸縮体の伸縮による層間剥離を抑制することができるためである。
【００１５】
電極材料は、伸縮体の伸縮に対して追随可能な導電性有機物を選ぶことが望ましい（請求項７）。
【００１６】
また、半導電層の電気抵抗率は、１０３Ωｃｍ以上１０５Ωｃｍ以下であることが望ましい（請求項８）。１０３Ωｃｍ以上であることにより、半導電層に電気が流れてジュール熱発生することを抑制できる。１０５Ωｃｍ以下であることにより、半導電層内での部分放電の発生を抑制できる。
【００１７】
さらには、上記で述べたアクチュエータと骨格部材とを組合せて、駆動装置を構成することができる（請求項９）。この駆動装置はロボットアーム等へ応用することが可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、大きな駆動力の出力が可能で、かつ絶縁破壊が発生しにくく信頼性の高い、電場で駆動するアクチュエータを提供することができる。また、上記のアクチュエータを用いて、ロボット等の駆動に利用できる駆動装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下実施の形態を挙げて本発明を詳細に説明する。
【００２０】
使用する電極材料は、金属や合金だけでなく、電気伝導性の高い材料であればなんでも良い。導電性ポリマーなどの導電性有機物を使用することも可能である。
【００２１】
半導電層としては、半導電性を示す材料であれば使用可能である。一般的な半導電層の電気抵抗率は１０２〜１０１２Ωｃｍ程度である。半導電層は、例えばカーボン粉末などの導電性物質を、絶縁塗料や絶縁樹脂中に分散させることより形成することができる。カーボン粉末は、平均粒径が１０ｎｍから１μｍ程度であり、通常はこれらが一次粒子として鎖状や房状につながった形状で塗料や樹脂中に分散されている。カーボン粉末の添加量は、絶縁塗料や絶縁樹脂の種類、カーボン粉末の形状や粒径、などにより適当な電気抵抗率となるように調整されるが、おおよそ０．１重量％から２０重量％程度である。
【００２２】
伸縮体には、アクリル樹脂やシリコン樹脂などの薄い高分子膜（エラストマー）を用いることができる。このほか、高分子液晶、無機材料電歪素子、無機有機複合系インターカレーション物質など、電場により歪む材料や電場により圧力を発生する材料であれば、何でも使用することが可能である。
【００２３】
（実施の形態１）
図２は、本発明のアクチュエータで、電極を平板状としたときの断面模式図である。一対の電極１の間に伸縮体２が配置され、電極１と伸縮体２の間には半導電層３が形成されている。
【００２４】
このアクチュエータは、例えば次のようにして作製することができる。まず一対の銅板の表面に、電気抵抗率が約１０４Ωｃｍの半導電層を塗布する。次に、シート状の伸縮体を、半導電層が塗布された面をシート状伸縮体の面に向けるようにして、銅板電極で挟み込むことによりアクチュエータとなる。
【００２５】
（実施の形態２）
複数の銅板の両面に電気抵抗率が約１０４Ωｃｍの半導電層を塗布したのち、実施の形態１と同様にシート状の伸縮体を銅板間に挟みこんで、複数の伸縮体が積層されたアクチュエータを作製することができる。図３は、伸縮体が複数積層されているアクチュエータの断面模式図である。伸縮体が複数であるので、実施の形態１のアクチュエータよりも大きな駆動力が出力可能である。
【００２６】
（実施の形態３）
実施の形態１、２では、シート状の伸縮体を電極間に挟み込んでアクチュエータを形成しているが、半導電層の表面に伸縮体の層を塗布や蒸着法などのコーティング等により形成することもできる。積層工程のみで伸縮体層が複数のアクチュエータを作製することができ、シート状の伸縮体を銅板間に挟みこむ手間がなくなる。
【００２７】
（実施の形態４）
図４は、銅線を線状電極４とし、線状電極４が半導電層３で被覆され、さらに半導電層３が伸縮体２で被覆され、複数の電極が束ねられているアクチュエータの断面模式図である。ここで、線状電極４、半導体層２、伸縮体３には、実施の形態１、２と同じ材料を用いている。
【００２８】
図５は、図４に示したアクチュエータの外観の模式図である。アクチュエータ７の各電極に配線６が接続されており、電極間に電圧を印加することができるようになっている。隣り合う電極間へ電圧印加により電場が発生し、電場の変化による伸縮層の伸縮により、アクチュエータとして駆動する。複数の伸縮体があるので、大きな駆動力が出力可能である。また、生体の筋肉と類似の形状であるので、ロボットアームや義手などにも利用できる。
【００２９】
なお、すべての電極が半導電層と伸縮体層で覆われている必要はない。例えば、正極にのみ伸縮体層を形成し、負極には伸縮体層を形成しない構成とすることも可能である。
【００３０】
あるいは、電極を半導電層で覆ったのち、束ねられた電極が伸縮体中に埋め込まれた構成も可能である。例えば、伸縮体の主原料として樹脂を使用し、粘度の低い伸縮体原料中に束ねた電極を沈め、電極間に伸縮体を浸透させた後、伸縮体原料を硬化剤等で硬化させて、アクチュエータを作製することができる。
【００３１】
（実施の形態５）
図６は、本発明によるアクチュエータ８ａ、８ｂと、骨格部材９を組み合わせた駆動装置の模式図である。図６では、アクチュエータ８ａ、８ｂに電圧をかけるための配線は省略されている。骨格部材９には、ステンレスやアルミニウムなどの金属や、合金、樹脂、セラミックなどを用いることができるが、軽量で強度が大きいものが望ましい。軸部１０では、回転軸等により骨格部材間の角度を変えられるような機構となっており、適宜ベアリングなどで滑らかな回転が得られるようになっている。
【００３２】
例えば、アクチュエータ８ｂのみに電圧を印加して、アクチュエータ８ｂを伸長させると、骨格部材９間の角度α１、α２、α３、α４が変化し、関節のように動作する。また、アクチュエータ８ａのみに電圧を印加して伸長させると、逆に曲がることになる。
【００３３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来のアクチュエータの断面模式図である。
【図２】本発明のアクチュエータで、電極を平板状としたときの断面模式図である。
【図３】伸縮体が複数積層されているアクチュエータの断面模式図である。
【図４】線状電極が半導電層で被覆され、さらに半導電層が伸縮体で覆われ、複数の電極が束ねられているアクチュエータの断面模式図である。
【図５】線状電極が半導電層で被覆され、さらに半導電層が伸縮体で覆われ、複数の電極が束ねられているアクチュエータの外観の模式図である。
【図６】アクチュエータと骨格部材を組合せた駆動装置の模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    電極
２    伸縮体
３    半導電層  
４    配線
５    線状電極
６    配線
７    アクチュエータ
８ａ、８ｂ  アクチュエータ
９    骨格部材
１０  軸部
【図１】
2008211879.tif 000003
【図２】
2008211879.tif 000004
【図３】
2008211879.tif 000005
【図４】
2008211879.tif 000006
【図５】
2008211879.tif 000007
【図６】
2008211879.tif 000008