(57)【要約】        【課題】直流駆動の静電アクチュエータ(特願2007-62558)を用いた人工筋肉の実現するため、積層化の実現と積層化に伴う問題点として、各アクチュエータへの電力供給方法、駆動制御方法をいかに実現するかが課題となった。        【解決手段】人工筋肉を実現するためにはアクチュエータの柔軟化が不可欠であるが、柔軟化の方法としてフィルム状ないし円筒状のアクチュエータを提案した。一方、積層化に伴い各アクチュエータへの電力供給が問題となる。そこで流体を用いた電力供給方法として、各アクチュエータに燃料電池やバイオ電池の原理を利用した方法を提案した。図１にこれらの技術を組み合わせた人工筋肉システムの概略構造図であり、流体６を利用して駆動制御線３の信号によりアクチュエータ構造体１を駆動させ、その廃液を再生器４して再び静電アクチュエータに戻し、ポンプ７で循環して使用するものである。(９,１０は他のアクチュエータへの分岐管を示す。)        【選択図】    図１
2008154447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流駆動の静電アクチュエータ(特許番号)において、柔軟性を有するフィルム状ないし筒状、フィラメント状の素材をそれぞれ固定子及び移動子に用い、構造体が自由に変形できることを特徴とする直流駆動の静電アクチュエータ。
【請求項２】
直流駆動の静電アクチュエータ(特許番号)において、柔軟性を有する筒状の固定子及び固定子内に入る円柱状の移動子に用い、構造体が自由に変形できることを特徴とする直流駆動の静電アクチュエータ。
【請求項３】
前記請求項１ないし２の静電アクチュエータを用い、そのアクチュエータを収縮方向に複数個配置し、同一の長さのアクチュエータ一つで実現するよりも高速で収縮できることを特徴とする静電アクチュエータ構造体。
【請求項４】
前記請求項１ないし２の静電アクチュエータを用い、そのアクチュエータを収縮方向と並列に複数個配置し、同一の長さのアクチュエータ一つで実現するよりも強力に収縮できることを特徴とする静電アクチュエータ構造体。
【請求項５】
前記請求項１ないし２の静電アクチュエータを用い、そのアクチュエータを収縮方向と並列に複数個配置し、その一番端にある一つの移動子と隣接するもう一つのアクチュエータの固定子とが構造的に結合し、その隣接するアクチュエータの固定子と更にその向こう側に隣接するアクチュエータの移動子とを構造的に結合し、そのような構造的結合を繰り返すこと(カスケード状)により、同一の長さのアクチュエータ一つで実現するよりも大きな収縮率で収縮できることを特徴とする静電アクチュエータ構造体。
【請求項６】
前記請求項３から５の構造を複数組み合わせて静電アクチュエータ単体では実現できない性能を有することを特徴とする静電アクチュエータ構造体。
【請求項７】
前記請求項３から６の構造を有する静電アクチュエータ構造体において、各アクチュエータの電力供給に導電体を用いることを特徴とする電力供給法。
【請求項８】
前記請求項３から６の構造を有する静電アクチュエータ構造体において、各アクチュエータの電力供給に流体を用いてそのエネルギーを移送することを特徴とする電力供給法。
【請求項９】
前記請求項８の電力供給法において、水素を含む流体と酸素を含む流体を別々に流し、燃料電池の発電原理を利用して駆動電極に電力を供給することを特徴とする電力供給法。
【請求項１０】
前記請求項８の電力供給法において、グリコースと酸素を含む流体を潤滑材として流し、バイオ電池の発電原理を利用して駆動電極に電力を供給することを特徴とする電力供給法。
【請求項１１】
前記請求項８から１０の電力供給法において、アクチュエータから排出された廃液を再生器により再生して再びアクチュエータに送り、流体を循環して駆動に用いることを特徴とする流体再生機構。
【請求項１２】
前記請求項８から１０の電力供給法において、長時間アクチュエータが停止していても常に電極に電力が供給されるよう、一定量常時流体を流すことを特徴とする外部強制リフレッシュ機構。
【請求項１３】
前記請求項８から１０の電力供給法において、電極に電力供給し終わったあとの廃物分子を除去し、新たな電解分子ないし高エネルギー分子を供給するため、静電アクチュエータの収縮を利用することを特徴とするリフレッシュ機構。
【請求項１４】
前記請求項８から１０の電力供給法において、電荷受給部位と駆動電極間の電荷移動を外部信号により制御することにより、アクチュエータの動作を制御することを特徴とするアクチュエータ動作制御機構。
【請求項１５】
前記請求項１１の流体再生機構において、再生器内で流体を加温・冷却することにより、アクチュエータの温度を管理できることを特徴とする温度管理機構。
【請求項１６】
前記請求項１１の流体再生機構において、アクチュエータから排出された廃液の異物ないし不純物を除去し、長期間アクチュエータを駆動しても潤滑材の劣化によるアクチュエータの性能低下を軽減することを特徴とする潤滑材浄化機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流駆動の静電アクチュエータ(特願2007-62558)を用いた集合化技術と人工筋肉の実現に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在産業界では機器の小型化が目覚しい。当然そこに用いられる駆動装置もまた小型・軽量・低消費電力が求められている。
これに最も適するものは生体が有する筋肉であろう事は容易に想像が付く。なぜならば筋肉は蟻のように小さな構造にも実現可能な駆動機構だからである。
しかし生体の筋肉の動作原理は今なお謎が多く、生体に近い人工筋肉の開発はいまだ完成に至っていないのが現状である。
【非特許文献１】「生物分子モーター」(岩波書店)  第１頁〜第８頁
【非特許文献２】「筋肉」(化学同人)  第３９頁〜第６６頁
【０００３】
もちろん現在いろいろな人工筋肉が開発されているが、その構造や動作原理は生体のそれとはまったく異なるものばかりである。
【特許文献１】特開平５−２２９５９
【特許文献２】特開平５−９１７６１
【０００４】
もっとも生体筋肉の駆動機構が詳細に解明されていなくとも、生体の筋肉と同じ動作の人工筋肉は実現可能と考えられる。
なぜならば確かに生体の筋肉には謎が多いが、しかしミオシンがアクチン上をスライドすることにより収縮動作が生じることは古くから知られており、しかもそのスライドが静電力によって生じていることも明らかであって（物理学上相互作用は４種類しか発見されておらず、生体内の相互作用は電磁気力、特に静電力しかありえない。従って生物学上いかなる名称で呼ばれる作用であってもそれは電磁力に由来する相互作用に変わりはなく、突き詰めて考えればそれはコンデンサー内に働く静電力と本質的に変わらない。）、自然界に収縮する筋肉が存在する以上、電荷をうまく制御すれば、筋肉と同じ動きをする(スライドして収縮する)アクチュエータを作り出すことは可能となるはずだからである。
その意味で、静電アクチュエータ (以下 特願2007-62558を基本特許と称し、その中の直流駆動静電アクチュエータを単に静電アクチュエータと称す。) はまさに生体筋肉と同じ動きをするアクチュエータの一つと考えてよい。
であるならば、この静電アクチュエータを使って生体と同様の筋肉システムを実現することも可能となるはずである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は静電アクチュエータを使い、生体と同様の筋肉システムを構築するために必要とされる項目を明確にすると共に、その解決案を提示するものである。
【０００６】
まず前述特許「直流駆動の静電アクチュエータ」(特許番号)では硬い基板をベースに記載されているが、実際の生体筋肉は柔軟性があり柔らかい。
確かに硬い基板のままではその利用範囲も限られるため、柔軟性を持たせたほうがその利用範囲は格段に広がるが、しかし前述特許をそのまま柔軟性のある素材に置き換えても電極設置や電力供給、更には固定子ないし移動子の柔軟化に伴い両者の接触が不完全となり、駆動機構の喪失につながりかねない。
また逆に両者の接触圧力が強くなることにより大きな摩擦抵抗が生じ、結果としてこの場合も駆動機能が喪失してしまう可能性がある。
そこで柔軟性を持たせても、駆動機能を維持できる静電アクチュエータの開発が課題となった。
【０００７】
また静電アクチュエータに柔軟性を持たせただけではその性能には限りがある。
そこで複数の静電アクチュエータを組み合わせ、機能向上を図るほうがその利用範囲は格段に広がる。
例えば、静電アクチュエータを複数個収縮方向に直列に配置し、一番端の静電アクチュエータの移動子と隣接する静電アクチュエータの固定子を構造的に結合し、その隣接アクチュエータの移動子と更にその先に隣接する静電アクチュエータの固定子とを構造的に結合し、そのような構造をもう一方の端にある静電アクチュエータまで繰り返し結合すると(これを直列に積層化すると称する)、そのような静電アクチュエータ集合体は同じ長さの一個の静電アクチュエータよりも結合した個数倍の収縮速度を速くすることができる。
詳しい説明は後段に譲るが、この様に単体の静電アクチュエータでは得られない機能を複数個の静電アクチュエータを積層することにより実現できる。
そこでいかなる積層構造をとればどのような機能が得られるかを明確にすることが課題となった。
【０００８】
もっともアクチュエータを積層することは、各アクチュエータへの電力供給を困難にすることにもなる。
なぜならば、アクチュエータの駆動力を伝える駆動目的物を動かすための構造体(導電体で電力などを供給する場合、通常この構造体からアクチュエータの電力などが供給される) に対し、固定子・移動子双方が収縮に伴い共に動くアクチュエータが存在するようになり、電力供給などに工夫が必要となるからである。
そこで積層構造においても電力供給できる方法の開発が課題となった。
【０００９】
更に、アクチュエータを積層することにより、収縮の制御をどのように行うかも問題となる。
前述特許の方法では電力供給の場合同様、各アクチュエータに信号を伝達させなければならない。
そこで積層構造でも容易に制御できる方法の開発が課題となった。
【００１０】
この他アクチュエータシステムの大型化に伴い過酷な環境下での駆動も当然考えられる。
この点静電アクチュエータで高出力を得るためにはマイクロメータサイズまで小型化することが必要となることから、潤滑剤特性や熱膨張に伴う位置管理などのための温度管理が必須となる。
そこで温度管理をいかに行うかが課題となった。
【００１１】
また、静電アクチュエータを長期間使用した場合、潤滑剤が劣化しアクチュエータの性能を悪化させることも考えられる。
そこでいかに潤滑剤を浄化するかが課題となった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
固定子と移動子間の接触不良ないし摩擦増加に伴う駆動機能喪失を解決する方法として、アクチュエータを何十にも積層ことにより、両者間の圧力をほぼ一定に保つ方法が考えられる。
アクチュエータを積層した場合、その中のあるアクチュエータの固定子と移動子とが離れようとした場合は、隣接アクチュエータの固定子と移動子の接触圧力が増加し押し戻す力が働くため、結局当該アクチュエータの固定子と移動子は、接触圧力を維持できるからである。
そこでアクチュエータを積層し、柔軟化に伴う問題を克服するとともに、その構成方法を提案する。
【００１３】
次に複数の静電アクチュエータの組み合わせによる性能についての評価は、その性能を収縮力、収縮率、収縮速度という三つのパラメータで表し、希望する性能を得るために最も適切な構成を求めることができるようにする。
これにより、いかなる積層構造をとればどのような機能が得られるかを明確にすることができる。
【００１４】
一方、静電アクチュエータの積層化に伴う電力供給方法については、配線方法を工夫しより構築しやすさを模索する方法と、配線によらず、例えば流体などを用いて電荷を運搬することを模索する方法とが考えられる。
【００１５】
まず配線方法としては静電アクチュエータを並列的に集合する方法と、直列的に集合する方法とがある。
このうち並列積層した場合は固定子を相互で固定する構造体が必要となり、その構造体に各アクチュエータへの配線を設ければ良く、解決は比較的容易である。
問題は直列に積層した場合である。
この場合は固定子相互間の位置が変化するため、駆動電極に電圧を供給するための配線を柔軟に配することが必要となる。
そこで隣接固定子間をブリッジする配線を設けることにより電圧供給を可能にする方法が考えられる。
更に静電アクチュエータの過伸張防止構造に配線機能を含ませれば、より合理的に問題解決を図ることができる。
【００１６】
もう一つは流体を用いた電荷を輸送する方法がある。
この方法は電荷を保持することのできる流体と、流体から電荷授受機能を持たせた電荷授受電極を固定子の各駆動電極に設け、そこで受けた電荷により駆動電極の電圧を維持しようとするものである。
この方法は各固定子間に電圧を供給するための配線を設ける必要がなく、静電アクチュエータ集合体の構成が簡素化できる。
【００１７】
最後に静電アクチュエータ集合体の起動制御については、最も一般的な解決方法としては各アクチュエータを直接駆動することが考えられる。
この方法では集合体として巨大化したアクチュエータ全てを起動回路でON/OFFしなければ成らず、場合によっては制御回路や配線を太くしなければならなくなる可能性がある。
したがって大規模な静電アクチュエータ集合体に対しては、高電流の出力回路を設けるか、低電流の出力回路を起動信号で出力制御するなど、複雑な制御回路が必要となる。
もっともこの方法は駆動電力の供給を配線によって行う駆動方法に適しており、前述の高エネルギー分子を含む流体による方法の場合には適さない。
【００１８】
一方、高エネルギー流体を用いた場合には、エネルギー流体から電荷を取り出すための酸化還元電極と、駆動電極との間にスイッチを設けそれをON/OFFする方法が考えられる。
この方法は起動電流がほとんど流れないため、巨大な静電アクチュエータ構造体であっても駆動制御用の出力回路は小型化できる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明のとおり、静電アクチュエータを複数組み合わせることにより、種々の性能を有した人工筋肉を構成でき、市場拡大の効果が期待できる。
また、電力供給方法を工夫することにより、従来一般的であった導体を用いるのではなく流体を用いることが可能となり、潤滑材や冷却材ないし保温材との機能を兼ね備えることができ、生体筋肉により一層近づけることができる。
このことは生体との融合、例えば人工心臓などへの応用の道を開くものである。
更に人工筋肉であるがゆえに生体筋肉では不可能な極限環境 (例えば宇宙空間や高放射線区域、高圧、高温、極低温空間など) への応用が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
【００２１】
本静電アクチュエータは直流駆動であるため、複雑な駆動制御回路が必要ないのが特徴であることから、導線により駆動電力を供給する一般的な方法のほか、高エネルギー流体に駆動エネルギーを載せ各アクチュエータ内で電荷を引き出して駆動力を発生させることが可能となる。
そこで図１に高エネルギーを利用してアクチュエータを駆動させ、その廃液を再生して再び静電アクチュエータに戻し、循環して使用する再生システムの概略構造図を示す。
まず高エネルギー流体６から受け取った電荷を用い静電アクチュエータ１を駆動する。(静電アクチュエータ内での高エネルギー流体から電荷を取り出す機構については後述する。)
この駆動力は駆動力伝達構造体２を介して外部に伝達される。
その後アクチュエータを出た高エネルギー流体の廃液は他のアクチュエータから排出された廃液と合流し、再生器４に送られる。
再生器４では再生用電力供給線５より供給された電力により、高エネルギー流体へと再生される。
再生器４を出た高エネルギー流体６は、循環ポンプ７で昇圧された後、他のアクチュエータへの供給分岐管９への分岐がなされ流量制御弁８を介して再度静電アクチュエータ１に送られる。
このように複数の静電アクチュエータ積層化構造体であっても、一つの再生器で駆動させることができる。
これにより特別な電力供給ラインを設けなくとも電力供給ができ、複数の静電アクチュエータ積層化構造体から成る複雑なシステムであっても比較的単純に電力供給が可能となる。
更に再生器に恒温機能や清浄機能(異物除去機能)を持たせれば、アクチュエータ自体の温度を一定に保つことができ、高温ないし低温環境で用いることや、高放射線下での高エネルギー分子の壊変による機能低下を改善することが可能となる。
【００２２】
図２に静電アクチュエータの動作原理を示す。
本静電アクチュエータは、電極を配置した固定子１１と、その上を電極と接しながらスライドする移動子１２とからなり、固定子１１に配置された駆動電極１３、１４に電圧を印加することにより動作する構造となっている。
その電気的構成は、固定子側表面に設置されたプラス・マイナスの駆動電極１３，１４の２種類の電極及び駆動電極から駆動方向に伸びた突起電極１５からなり、これらは駆動電力配線によって電圧が供給される。
供給された電圧は接触している移動子表面の帯電スリットに帯電される。(１６)
この帯電電荷と固定子が形成する電場との相互作用により移動子に駆動力１７が発生する。
【００２３】
図３に、図２の静電アクチュエータを積層化した積層化構造体の模式図を示す。
積層化構造体は、複数のアクチュエータの固定子１１ないし移動子１２を固定する固定構造体１８により、互いに固定子同士又は移動子同士が接する形で並列に結合されており、それらを一層として更に直列に複数層結合された構造をしている。
積層化構造体はそれらを囲む外被膜１９で覆われ、個々のアクチュエータの固定子１１と移動子１２が離れないよう、外側から一定圧力で構造体を拘束している。
したがってこの方法では固定構造体にある程度柔軟性を持たせるか、外被膜に伸縮性を持たせるかしなければ、構造体自体の柔軟性はかなり悪くなる。
【００２４】
図４はその積層化構造体に用いる固定子１１の例を示す。
固定子１１は薄い柔軟性のあるフィルムの両面に駆動電極１３，１４を設置したもので、駆動電極の櫛方向に長い帯状をしている。
また、駆動電極への電力は固定子１１と結合する固定構造体１８より配線によって供給される。
【００２５】
一方、図５に積層化構造体に用いる移動子１２の例を示す。
移動子１２も固定子同様、薄い柔軟性のあるフィルム状をしており、両面に極めて細かい帯電スリット２０が設置され、スリット方向に長い帯状をしている。
【００２６】
図６に両者を組み合わせた図を示す。
固定子１１・移動子１２交互に積層され、駆動電極１３，１４に電圧を印加すると移動子全体に駆動力が生じる構造となっている。
【００２７】
図７にそのように組み合わされた固定子１１と移動子１２を固定構造体１８に接続する場合のパターン例を示す。
本案では固定構造体１８の形状に合わせ、スリット条に積層化した構造となっている。
本案はもっとも単純な構造であり、固定子１１・移動子１２を直線的に用いるので、局部的な応力を考慮する必要がないという利点を持つ。
しかし、形状に合わせ多数積層するのは構造体が数μm程度まで小型化した場合にはかなり困難になると考えられる。
【００２８】
図８には別のパターンを示す。
本案では固定子１１・移動子１２を渦巻状に積層化した構造となっている。
本案は比較的製作が容易である反面、固定構造体１８は円形に限られ、形状に制限が生じてしまうという難点を有する。
【００２９】
図９には更に別のパターンを示す。
本案では固定子１１・移動子１２を九十九折に設置し、駆動力を増加させている。
もっともこの案では、折り返し部で折り返しの半径が小さくなりすぎるため、うまく設置するためには工夫が必要である。
【００３０】
図１０はこれら積層化構造体とは全く異なる構造体の例を示す。
柔軟化に伴い固定子と移動子が離れたり接触圧が増加したりする問題点を克服するため、個々のアクチュエータを円形にし、円筒状の固定子２１とその中を円柱状の移動子２２が挿入する形(図１１)となっている。
これによりアクチュエータを柔軟化しても固定子と移動子の接触は維持することができる。
このようなアクチュエータを固定構造体１８に並べて集合体を形成する。(図１２,図１３)
【００３１】
次にアクチュエータの積層化に伴う性能の変化について評価する。
ここで静電アクチュエータの性能を収縮力Ｆ (最大伸張時をＦ、最小収縮時をＦ’)、収縮率Ｐ (＝最小収縮時全体長Ｂ’/ 最大伸張時全体長Ｂ)、収縮速度Ｖ (＝収縮距離Ｌ / 収縮時間Ｔ)の三つのパラメータで評価する。
図１４は一つの静電アクチュエータがもっとも伸張した状態を模式化したもので、固定子ないし移動子の長さをＬ、固定子と移動子の重なり合いの長さをＡ、固定構造体の厚みをＳとすると、全体の長さＢ１は下記の数式１となる。
【００３２】
(数１)
Ｂ１＝２Ｌ−Ａ＋２Ｓ
【００３３】
図１５は最小収縮時の状態を模式化したもので、全体の長さＢ１’は下記の数式２となる。
【００３４】
(数２)
Ｂ１’＝Ｌ＋２Ｓ
となり、したがってＦ１、Ｆ１’、 Ｐ１、Ｖ１の各性能は、下記の数式３〜６となる。
【００３５】
(数３)
Ｆ１＝Ｃ・Ａ    (最大伸張時)
【００３６】
(数４)
Ｆ１’＝Ｃ・Ｌ    (最小収縮時)
【００３７】
(数５)
Ｐ１＝(Ｌ＋２Ｓ)/(２Ｌ−Ａ＋２Ｓ)
【００３８】
(数６)
Ｖ１＝Ｖ0
【００３９】
次に図１６及び図１７に静電アクチュエータをＮ１個直列に積層した場合の最大伸張時及び最小収縮時の模式図を示す。
ここで全体長はそれぞれ下記の数式７、８となる。
【００４０】
(数７)
Ｂ２＝Ｎ１・(２Ｌ−Ａ＋Ｓ)＋Ｓ
【００４１】
(数８)
Ｂ２’＝Ｎ１・(Ｌ＋Ｓ)＋Ｓ
【００４２】
したがってＦ２、Ｆ２’、 Ｐ２、Ｖ２の各性能は、下記の数式９〜１２となる。
【００４３】
(数９)
Ｆ２＝Ｃ・Ａ    (最大伸張時)
【００４４】
(数１０)
Ｆ２’＝Ｃ・Ｌ    (最小収縮時)
【００４５】
(数１１)
Ｐ２＝(Ｌ＋Ｓ＋Ｓ/Ｎ１)/(２Ｌ−Ａ＋Ｓ＋Ｓ/Ｎ１)          (Ｓ/Ｎ１<<Ｌ＋Ｓ)
【００４６】
(数１２)
Ｖ２＝Ｎ１・Ｖ0
【００４７】
以上よりアクチュエータを直列に積層化した場合は、単体の場合と比べ収縮力Ｆ、収縮率Ｐはほとんど変化しない一方、収縮速度Ｖは積層段数倍早くなることが判る。
【００４８】
更に図１８及び図１９に静電アクチュエータをＮ２個並列に積層した場合の最大伸張時及び最小収縮時の模式図を示す。
ここで全体長はそれぞれ下記の数式１３、１４となる。
【００４９】
(数１３)
Ｂ３＝２Ｌ−Ａ＋２Ｓ
【００５０】
(数１４)
Ｂ３’＝Ｌ＋２Ｓ
【００５１】
したがってＦ３、Ｆ３’、 Ｐ３、Ｖ３の各性能は、下記の数式１５〜１８となる。
【００５２】
(数１５)
Ｆ３＝Ｎ２・Ｃ・Ａ    (最大伸張時)
【００５３】
(数１６)
Ｆ３’＝ Ｎ２・Ｃ・Ｌ    (最小収縮時)
【００５４】
(数１７)
Ｐ３＝(Ｌ＋２Ｓ)/(２Ｌ−Ａ＋２Ｓ)
【００５５】
(数１８)
Ｖ３＝Ｖ0
【００５６】
以上よりアクチュエータを並列に積層化した場合は、単体の場合と比べ収縮率Ｐ、収縮速度Ｖは変化しない一方、収縮力Ｆは積層段数倍強くなることが判る。
【００５７】
更に図２０及び図２１に静電アクチュエータをＮ３個カスケード状に積層した場合の最大伸張時及び最小収縮時の模式図を示す。
ここで全体長はそれぞれ下記の数式１９、２０となる。
【００５８】
(数１９)
Ｂ４＝(Ｎ３−１)・(Ｌ−Ａ)＋Ｌ＋２Ｓ
【００５９】
(数２０)
Ｂ４’＝Ｌ＋２Ｓ
【００６０】
したがってＦ４、Ｆ４’、 Ｐ４、Ｖ４の各性能は、下記の数式２１〜２４となる。
【００６１】
(数２１)
Ｆ４＝Ｃ・Ａ    (最大伸張時)
【００６２】
(数２２)
Ｆ４’＝Ｃ・Ｌ    (最小収縮時)
【００６３】
(数２３)
Ｐ４＝(Ｌ＋２Ｓ) / [(Ｎ３−１)・(Ｌ−Ａ)＋Ｌ＋２Ｓ]
【００６４】
(数２４)
Ｖ４＝Ｖ0
【００６５】
以上よりアクチュエータをカスケード状に積層化した場合は、単体の場合と比べ収縮力Ｆ、収縮速度Ｖは変化しない一方、収縮率Ｐは積層段数倍大きくなることが判る。
【００６６】
図２２はそれら組み合わせによる積層化構造体の製作例である。
これらは複数方法を組み合わせて構成できることから、積層方法を適当に組み合わせることにより希望する性能を得ることができる。
積層タイプと性能変化を表１にまとめる。
【００６７】
【表１】
2008154447.tif 000003
【００６８】
図２３に、伸張した積層化構造体への電力供給の方法としてもっとも単純な方法として各層の固定構造体１８に柔軟性を有する導電体２３を用いて給電し、各層の各静電アクチュエータへは固定構造体上の配線によって行う方法を示す。
また図２４にその収縮状態を示す。
本例はである。
ところで静電アクチュエータは移動子が固定子から過引き抜きされると両者が分離してしまい、駆動機能が喪失してしまうため、各静電アクチュエータは過引抜を防止する機構が必要となる。
その一つの方法として、隣接固定構造体間で一定の距離以上に離れないよう拘束線ないし拘束被膜を用いる方法が考えられる。
その場合にはその線ないし膜に導電体を設けることができ、比較的容易に電力供給等を実現できる。
ただ導電体自体に柔軟性が求められるため、大きなアクチュエータ構造体の場合は導電体も太くしなければならず実現が困難となるし、導電体自体が収縮により変形するため、強度が弱いと断線等の不具合を生じやすいという欠点を持つ。
【００６９】
図２５、図２６は、流体を用いた給電方法を示す。
直流駆動の静電アクチュエータの場合、従来からあるインバータ制御のアクチュエータと異なり、アクチュエータの電極に一定の電荷さえ供給できれば動作が可能であるため、導電体で供給する必要はなく、流体に電荷を輸送させることにより駆動させることも可能となる。
もっとも静電アクチュエータの低電力特性を生かすためには、駆動電極を電解液などの高濃度イオン流体で浸すことはできない。
【００７０】
そこで図２５に、中性流体を用いる例として、燃料電池の原理を応用した方法を示す。
まず構造について説明する。
固定子１１と移動子１２は水素分子を含む絶縁性を有する潤滑材４３で満たされ、駆動電極を有する固定子１１内部には移動子面側に開口した気化層３４・拡散層３５を突起電極間に設けてある。
その奥固定子１１の下面には高分子膜３８が設置されており、拡散層３５と高分子層３８の間の拡散層表面には触媒３６がコーティングされ、その触媒３６により生成した水素イオンが透過できる構造となっている。
更にその奥には高分子膜に面して拡散層４０があり、拡散層と高分子膜との間は触媒４１がコーティングされている。
拡散層の先は気化層３９を介して冷却水層３３と接し、酸素を含む冷却水が流れて気化層３９・拡散層４０を通して酸素が供給される構造となっている。
冷却水層３３の下には冷却水を密封する固定子下層３２があり、複雑な固定子の構造を支持している。
【００７１】
次に動作原理を説明する。
潤滑材４３内の水素分子は、固定子上に開口した撥水性ないし撥油性の微粒子でできた気化層３４内に気体状態で充満する。
その水素ガスが拡散層３５を通って触媒３６に達し、イオン化する。
このとき生じた電子は導体３７を介して負の駆動電極１４に送られ、当該電極はマイナスの電位を持つようになる。
更に触媒３６で生じた水素イオンは高分子膜３８を通ってその先の触媒４１に達し、冷却水３３から撥水性を有する拡散層４０を介し触媒表面の水分をコントロールする水管理層３９を通って供給された酸素分子と結合し、水分子となって冷却水側に放出される。
このとき消費される電子は、導体４２を介して固定子上の駆動電極１３から供給され、結果として当該電極はプラスの電位を持つようになる。
詳しくは以下を参照。
【非特許文献３】「水素・燃料電池ハンドブック」(オーム社出版)  第１３７頁〜第１６２頁もっとも本例は触媒４１の水分管理や駆動時の温度問題、表面から順に固定子１１、高分子膜層３８、還元層３１、冷却水層、更にその下の固定子下層３２と多層構造を有し、構造が複雑で小型化が難しいなど克服すべき課題は多い。
【００７２】
図２６は絶縁性を有する高エネルギー流体を用いた方法である。
この方法は、移動子を満たす流体に高エネルギー分子(例えばグリコース等)を含む流体５３を用い、駆動電極１４と接して酸化酵素を含む酸化電極５１(グルコース酸化酵素固定化電極。以下ＧＯＤと称す。)
を設けており、グリコースはこの酸化電極に接して酸化され、２個の水素イオンと２個の電子が放出される。
したがってこの酸化電極５１に接した駆動電極１４はマイナスの電圧が印加される。
一方、もう一つの駆動電極１３には酸素を還元するための還元物質が付加された還元電極５２(例えばビリルビン酸化酵素固定化電極。以下ＢＯＤと称す。) と接しており、ＧＯＤで生じた水素イオンを使って流体内にある酸素分子が還元され、２個の電子が消費されるとともに水分子が放出される。
したがってＢＯＤに接した駆動電極１３は、プラスの電圧が印加される。
これはバイオ電池の一種であり、この方法を用いれば電力供給は更に単純化し、より小型化が期待できる。
詳しくは以下を参照。
【非特許文献４】「バイオ電気化学の実際」(シーエムシー出版)  第２５４頁〜第２５７頁
【００７３】
図２７は、このような給電方法を用いた場合の積層化構造を示す。
全体を柔軟性がありしかも密封性のある外被膜１９で覆い、その一方から高エネルギー流体５３を注入し、反対側から排出する構造とする。
更に、各アクチュエータに流体を流すため、固定構造体１８及び、固定子１１ないし移動子１２に流体流路５４を設け、流体が流れるようにする。
このように流体を用いた場合、導電体等の特別な構造物が不要であり、比較的単純な構造で全アクチュエータに電力を供給できる。
【００７４】
図２８は静電アクチュエータ内に逆止弁を設け、自らの駆動力により流体を循環させる構造を示す。
本例において流入側逆止弁５５は移動子１２内に貫通した貫通口５４のアクチュエータ内部側に外部から流入する方向に設置されている。
また流出側逆止弁５６は固定子１１の移動子の最挿入位置よりも先に外部に向け開口された貫通口の外側に静電アクチュエータ内から流出する方向に設置されている。
静電アクチュエータが伸張するときに外部から移動子内の貫通口及び流入側逆止弁５５を通して高エネルギー流体が静電アクチュエータ内部に流入し、その流体はＧＯＤならびにＢＯＤで酸化還元される。
その後静電アクチュエータが収縮し、移動子が挿入されるとピストン効果により静電アクチュエータ内の圧力が上昇し、流入側逆止弁５５は閉じ逆に流出側逆止弁５６が開いて流体が外部に排出される。
このように静電アクチュエータの伸張・収縮動作を利用して流体をポンピングすることができる。
これを利用すればアクチュエータ内で電荷の消費が激しく、多量の高エネルギー流体を必要とする連続収縮駆動時に、アクチュエータ自らの力によって流体を循環させることができ、循環ポンプ７(図１)の小型化を図ることができる。
【００７５】
次に図２９に静電アクチュエータの起動方法として、スイッチを用いる方法を示す。
この方法は酸化還元電極５１、５２と駆動電極１４、１３間にスイッチ６１(例えば電界効果トランジスター)を設け、開閉信号(ゲート信号)を送ることによりアクチュエータ駆動のON/OFFをコントロールするものである。
図３０、図３１に固定子上の具体的配置例を示す。
【００７６】
図３０は、電力を各駆動電極に分配する母線を酸化還元電極とし、それと各駆動電極との間にスイッチ(トランジスター)６１を設置した例を示す。
この場合、各スイッチのゲート信号は、固定子内部に設置した駆動制御用ゲート信号線６３により一つにまとめられる。
しかしこの方法は、酸化還元電極の移動子に覆われた部分は、発電性能が悪化する可能性があり、移動子が全挿入(最収縮)時は十分な電力が供給できない可能性がある。
【００７７】
図３１は酸化還元電極５１、５２を移動子の最移動位置の先に配置し、常に高エネルギー流体に接することができる構造とし、その電極から駆動電極１４、１３へ電力を供給するラインにスイッチ６１が設置されている構造とする。
これにより移動子の位置に関係なく常に駆動電極に電圧を供給でき、駆動制御も簡単な構造で実現できるようになる。
ただ、酸化還元電極部分は移動子が移動できないため、収縮率が若干低下する。
【００７８】
最後に図３２に静電アクチュエータの温度管理及び潤滑材の劣化防止として、再生器内に恒温機構及び浄化機構を設けた例を示す。
各アクチュエータから排出された廃液は再生器に戻り、フィルター７１を通って清浄される。
このフィルター７１はアクチュエータ内で生じた異物や放射線・化学変化などによって変質した分子を除去する機能を有する。
その後流体は放熱器７３の間を通り、加温・冷却器７２により一定の温度に加温・冷却される。
この加温・冷却器は固有の電力線７４により電力供給され動作する。
更に再生器４を通って高エネルギー流体に再生されて、再度アクチュエータに送られる。
この方法は再生器に必要な機能を持たせることにより、各アクチュエータ側に特別な機構を設ける必要がなくなり、複雑化したアクチュエータシステムに有効である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の静電アクチュエータは制御が簡単であり、積層化・多重連結によりあらゆる出力やストロークのアクチュエータが構築でき、ミクロからマクロまでのあらゆる産業の汎用動力源として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】高エネルギー流体を用いた静電アクチュエータ駆動システムの概略図である。
【図２】直流駆動型静電アクチュエータの概略構造図である。
【図３】静電アクチュエータ構造体の概略図である。
【図４】帯型アクチュエータの固定子の電極パターンである。
【図５】帯型アクチュエータの移動子の帯電スリットパターンである。
【図６】帯型アクチュエータの固定子と移動子を組み合わせた外観図である。
【図７】帯型アクチュエータの設置パターンを示した図である。(例１)
【図８】帯型アクチュエータの設置パターンを示した図である。(例２)
【図９】帯型アクチュエータの設置パターンを示した図である。(例３)
【図１０】円筒型アクチュエータの固定子と移動子の概略構造図である。
【図１１】円筒型アクチュエータの固定子と移動子を組み合わせた外観図である。
【図１２】円筒型アクチュエータの設置パターンを示した図である。
【図１３】円筒型アクチュエータの設置パターンを横から見た図である。
【図１４】一つの静電アクチュエータの性能を説明する図である。(伸張状態)
【図１５】一つの静電アクチュエータの性能を説明する図である。(収縮状態)
【図１６】直列に接続した複数の静電アクチュエータの性能を説明する図である。(伸張状態)
【図１７】直列に接続した複数の静電アクチュエータの性能を説明する図である。(収縮状態)
【図１８】並列に接続した複数の静電アクチュエータの性能を説明する図である。(伸張状態)
【図１９】並列に接続した複数の静電アクチュエータの性能を説明する図である。(収縮状態)
【図２０】カスケード状に接続した複数の静電アクチュエータの性能を説明する図である。(伸張状態)
【図２１】カスケード状に接続した複数の静電アクチュエータの性能を説明する図である。(収縮状態)
【図２２】複数のアクチュエータを直列・並列に組み合わせた構成例を示した図である。
【図２３】積層化アクチュエータの各層へワイヤで電力供給する方法を示した図である。(伸張状態)
【図２４】積層化アクチュエータの各層へワイヤで電力供給する方法を示した図である。(収縮状態)
【図２５】燃料電池の原理を利用し駆動電極に電荷を供給する方法を示した図である。
【図２６】バイオ電池の原理を利用し駆動電極に電荷を供給する方法を示した図である。
【図２７】高エネルギー流体を用いて積層化アクチュエータの各アクチュエータに電力を供給する方法を示した図である。
【図２８】高エネルギー流体を用いた積層化アクチュエータにポンプ機能を持たせた構造を示す図である。
【図２９】高エネルギー流体を用いた場合の起動方法を示した図である。
【図３０】高エネルギー流体を用いた場合の起動制御機能を持たせた固定子の概略図である。(各駆動電極に酸化・還元電極を持つ例)
【図３１】高エネルギー流体を用いた場合の起動制御機能を持たせた固定子の概略図である。(複数の駆動電極に一つの酸化・還元電極を持つ例)
【図３２】潤滑材の清浄・恒温機能を持たせた再生器の概略図である。
【符号の説明】
【００８１】
１                    静電アクチュエータ
２                    駆動力伝達構造体
３                    収縮制御線
４                    再生器
５                    再生用電力供給線
６                    高エネルギー流体
７                    循環ポンプ
８                    流量調整弁
９                    他アクチュエータへの流体供給用分岐管
１０                他アクチュエータからの流体回収用分岐管
１１                固定子
１２                移動子
１３                ＋極駆動電極
１４                −極駆動電極
１５                突起電極
１６                移動子帯電電荷
１７                駆動力
１８                固定構造体
１９                集合体外被膜
２０                移動子帯電パターン
２１                円筒型固定子
２２                円柱型移動子
２３                電力供給用導電体
３１                還元層
３２                固定子下層
３３                固定子冷却水層
３４                酸化電極気化層
３５                酸化電極拡散層
３６                酸化電極触媒コーティング
３７                酸化電極電荷供給ライン
３８                高分子膜
３９                還元電極水管理層
４０                還元電極拡散層
４１                還元電極触媒コーティング
４２                還元電極電荷供給ライン
４３                水素含有絶縁性潤滑材
５１                酸化電極 (例えばグルコース酸化酵素固定化電極。ＧＯＤ)
５２                還元電極 (例えばビリルビン酸化酵素固定化電極。ＢＯＤ)
５３                高エネルギー流体 (例えばグルコース含有水)
５４                移動子内流路
５５                流入側逆止弁
５６                流出側逆止弁
６１                電力供給スイッチ (例えば電界効果トランジスター)
６２                スイッチ開閉信号線
６３                駆動制御用ゲート信号線
６４                移動子移動範囲
７１                潤滑材清浄フィルター
７２                加温・冷却器
７３                放熱器
７１                加温・冷却電力線
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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