(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略膜状の誘電エラストマーと、
該誘電エラストマーの両面に貼着する電極と、
該電極から電圧を印加することにより伸長する変位を外部に伝えるための前記誘電エラストマーの両端に設けられる２つの基台と、
から成る人工筋肉による伸長変位から前記基台間に発生させた往復直線運動を駆動力とし、
前記伸長変位による前記往復直線運動を回動又は回転運動に変換する変換機構を有し、
前記人工筋肉における誘電エラストマーへの電圧、及び印加タイミングを制御するとともに、
前記変換機構は、内側ローラー、当該内側ローラーと共通する回転軸周りに回転可能である外側ローラー、および前記外側ローラーの外周面の少なくとも一部と接触して保持される細長い伝達構造を有し、
前記伝達構造の一端は、前記人工筋肉の前記基台に取り付けられ、
前記外側ローラーは、前記伝達構造の移動時に前記回転軸の周りを順方向および逆方向に回転可能であり、
前記内側ローラーは、前記外側ローラーが順方向と逆方向とのいずれか選択された方向に回転されたときにのみ、前記回転軸の周りに回転することを特徴とする誘電エラストマーモーター。
【請求項２】
前記変換機構は、前記回転軸の周りに配置された複数の動力伝達要素をさらに有し、
前記動力伝達要素の各々は、弾性部材とボールとを含み、
前記弾性部材の一端は、前記外側ローラーに固定され、前記弾性部材の他端は、前記ボールに固定されており、
前記ボールは、前記内側ローラーと滑り接触状態に保持されている、請求項１に記載の誘電エラストマーモーター。
【請求項３】
前記外側ローラーは、前記内側ローラーに対面し且つ複数の凹部が形成された内周面を有し、
前記複数の凹部の各々は、前記複数の動力伝達要素のうち対応する動力伝達要素を収容し、且つ平面および曲面を有し、
前記曲面は、前記平面のうち前記内側ローラーから遠い方の端部から前記回転軸周りに向かうほど前記内側ローラーに近づく形状であり、
前記弾性部材の一端は、前記平面に固定され、
前記ボールは、前記曲面と滑り接触するように保持されている、請求項２に記載の誘電エラストマーモーター。
【請求項４】
前記ボールの直径は、前記曲面と前記内側ローラーとの最短距離よりも大きい、請求項３に記載の誘電エラストマーモーター。
【請求項５】
前記人工筋肉が、面積の異なる大小の板状部材である２枚の基台と、
前記２枚の基台間に錐台形状となるように前記誘電エラストマーが配置された錐台型人工筋肉により、駆動力を発生させる事を特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の誘電エラストマーモーター。
【請求項６】
２つの前記人工筋肉を備え、
前記２つの人工筋肉は、互いに個別に電圧印加をうける、請求項１ないし５のいずれかに記載の誘電エラストマーモーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電エラストマーからなる人工筋肉の伸長変位を駆動力として利用する誘電エラストマーモーターの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄型ノートパソコン等のモバイル機器の薄型化に伴い、ハードディスクに用いられる平面モーターのような薄型なものも多く登場するようになった。しかしながら、回転軸の軸芯方向に垂直な円形となる関係のため、オープンスペースへ組込むための形状については、その構造上、設計の自由度は狭く、モーターの配置領域に合わせて設計される現状があり、今後益々薄型化が要求されることから、これに伴ってモーター自体の薄型化も問題となる。
【０００３】
また、近年では誘電エラストマーからなるアクチュエータの研究も活発になされてきた。誘電エラストマーは、これに電圧をかけると、一方の電極にはプラスの電荷、反対側の電極にはマイナスの電荷が蓄えられ、その結果、電極間に引力が生じ、この力によって誘電エラストマーが押しつぶされて、面方向に膨張し、係る面方向と垂直方向である長手方向に伸長するので、この伸長力を駆動力として利用するものである。
【０００４】
係る誘電エラストマーからなるアクチュエータについては、本願発明者らも種々の技術を提案し、公知技術としたものもある。例えば、発明の名称を「駆動性能及び耐久性が改善されたアクチュエータ用電場応答性高分子」（特許文献１参照）、及び「駆動性能及び耐久性が改善されたトランスデューサー用電場応答性高分子」（特許文献２参照）である。なお、これらの技術提案については、特許化が図られている。
【０００５】
これらの誘電エラストマーを利用して回転動力を得る技術も開発されるようになってきている。例えば、発明の名称を「電気活性高分子エネルギー変換機」と称する特許文献３に記載された発明や、発明の名称を「電気活性ポリマーエネルギー変換装置」と称する特許文献４に記載された発明が公知技術となっている。これらは何れも誘電エラストマーを備え、該誘電エラストマーモジュールには、第１の電極と第２の電極との間に配置される少なくとも１以上の誘電エラストマーフィルム層を備えるものであり、係る誘電エラストマーに電圧を印加することによって直線的な伸長の変化を動力として、これにクランクシャフトを介して回転運動へと変換する装置である。
【０００６】
しかし、前記クランク機構を用いる構成では、複数のトランスデューサーが必要となり、コスト的にも構造的にも大きな負担となってしまう。また、係る誘電エラストマーの膨張に伴うストローク量を大きく確保しようとすると、より大きな電圧をかける必要があり、耐久性が著しく低下するという問題もある。このため、ストローク量は微小なものに抑えなければならなくなり、クランク機構を採用する構成ではショートストローク型とせざるを得ず、機械要素的にも損失が大きく、また、クランク位置によって得られるトルクに変動があるため、ステッピングモーターやサーボモーターのように静止状態での保持力を必要とする場合には、位置によってトルクに差が出てしまうといった欠点も生じてしまう。
【０００７】
従って、誘電エラストマーを用いたモーター構造では、微小な往復運動を効率よく回転運動に変換できると供に、静止状態での保持力も備える構造であることが求められているといえる。そこで、本願発明者は、本発明の開発過程において、クランクシャフトを用いることなく、カム機構やラチェット機構等を用いることに着目し、前記問題を解決するに至ったものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４６９５２２６号明細書
【特許文献２】特許第４８３７７９４号明細書
【特許文献３】特開２０１４−５０７９３０号
【特許文献４】特開２０１４−５３１１８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記の問題を解決すべく、誘電エラストマーの直線的な往復運動による微小な伸長変位を効率よく回転変位に変更して高い駆動力と位置保持力を発揮するとともに、可撓性を有する膜の特性を利用して、多様な用途に対応できる変換機構を備え、従来型の電磁力を用いたモーターと比較して小形軽量かつ平面的な薄型化が可能であって、熱の発生並びに消費電力の少ないモーターの提供を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、誘電エラストマーを用いた人工筋肉の研究開発過程において、誘電エラストマーの伸長変位は小さなものであっても、係る直線的な伸長変位動作を回転方向へ変換することで、モーターとして利用できるのではないかとの着想の下、本発明に係る誘電エラストマーモーターの発明に至ったものである。
【００１１】
本発明は、前記略膜状の誘電エラストマーと、該膜の両面に設けた２つの電極を有する人工筋肉による伸長変位を駆動力として利用するモーターであって、前記伸長変位による往復直線運動を回動又は回転運動に変換する変換機構を有し、前記変換機構との関係において、前記人工筋肉における誘電エラストマーへの電圧、及び印加タイミングを制御する構成を採用した。
【００１２】
また本発明は、前記人工筋肉が、両端面に直径の異なる基台に対して誘電エラストマーが錐台形状となるように周設された１つ又は２つを向い合せたものである構成を採用することもできる。
【００１３】
また本発明は、前記変換機構が、カム機構である構成を採用することもできる。
【００１４】
また本発明は、前記カム機構が、溝カム機構である構成を採用することもできる。
【００１５】
また本発明は、前記変換機構に、ラック＆ピニオン機構、ラチェットによるフリーハブ機構、若しくはスライダーとローラーとの摩擦による接触機構のいずれかの機構による構成を採用することもできる。
【００１６】
前記伸長変位を駆動力として利用する前記人工筋肉を２以上備え、該人工筋肉から押し出される押圧部の押し出し量をそれぞれ別個に制御することで、被駆動部材に対して、押圧部の接触角度に変化を与えることが、可能である構成を採用することもできる。
【００１７】
変換機構の一例としては、人工筋肉が回転軸の軸方向と垂直な方向に等角度間隔で複数配置されているとともに、楕円形状のカムが回転軸に固設されており、このカムに人工筋肉のそれぞれの一端を当接させた機構があげられる。この機構においては、複数の人工筋肉のそれぞれに位相を変えて電圧を加えることで、カムを介して、人工筋肉の伸長変位が回転軸の回転方向の動きに変換される。さらに、電圧を変化させる周期を変えることで、回転するスピードをコントロールすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る誘電エラストマーモーターによれば、誘電エラストマーの直線的な往復運動による伸長変位を効率よく回転変位に変更して高い駆動力と位置保持力を発揮するとともに、略膜状であること並びに可撓性を有する特性を利用して、多様な用途に対応できる変換機構を備え、従来型の電磁力を用いたモーターと比較して小形軽量かつ平面的な薄型化が可能であり、熱の発生並びに消費電力の少ないという先行技術と比較した有利な効果を発揮するものである。
【００１９】
本発明では、小さな変位量でも駆動できることから、主たる材料である誘電エラストマーの劣化を抑制し、寿命を長くする効果が発揮される。また、印加する電圧を低くできることは、絶縁破壊の危険性や、回路の耐圧が低くできる等の有利な効果も発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る人工筋肉の基本的構成を示す基本構成説明図である。
【図２】本発明に係る錐台型人工筋肉による構造説明図である。
【図３】本発明に係る誘電エラストマーを複数用いる構成の説明図である。
【図４】本発明に係る錐台型人工筋肉による動作説明図である。
【図５】本発明に係る錐台型人工筋肉を複数組み合わせた構成例を示す説明図である。
【図６】本発明に係る変換機構のうち、カム機構を用いた基本動作説明図である。
【図７】本発明に係るカム機構の回転動作説明図である。
【図８】本発明に係る変換機構のうち、円筒溝カム機構を用いた動作説明図である。
【図９】本発明に係る押圧部材の角度調整説明図である。
【図１０】本発明に係るラック＆ピニオン構造を用いた実施例説明図である。
【図１１】本発明に係る変換機構のうち、ラチェット構造によるフリーハブ機構を用いた実施例説明図である。
【図１２】本発明に係る変換機構のうち、ピック＆プレース型機構を用いた実施例説明図である。
【図１３】本発明に係る変換機構のうち、ワンウェイ機構を用いた構造説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の誘電エラストマーモーター１は、略膜状である誘電エラストマー１１の直線的で小さな伸長変位による往復運動を効率よく回動又は回転運動に変換するものであり、誘電エラストマー１１自体が可撓性を有する略膜状であることを利用した変位量変改装置を備えたことを最大の特徴とするものである。以下、図面に基づいて本発明に係る誘電エラストマーモーター１の説明をするが、以下の図面に示す実施例はあくまでも例示したものであり、係るその具体的な実施の態様は如何なるものであっても何ら構わない。即ち、本発明の技術的範囲は、以下の実施例の記載、及び図面に示される形状、構造に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００２２】
まず、図１は、本発明に係る人工筋肉１０の基本構成並びに基本動作構成を示す説明図であり、図１（ａ）は、本発明の誘電エラストマーモーター１の駆動力の発生となる人工筋肉１０の作動原理を示し、図１（ｂ）は、平面形人工筋肉６の基本構成を示す断面説明図であり、図１（ｃ）は、前記断面説明図を正面とした場合の平面となる平面図であり、それぞれの図は、誘電エラストマー１１の伸長と収縮の直線的な往復運動から出力を取り出す基本構成を示している。人工筋肉１０は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示されるように、略膜状の誘電エラストマー１１と、該膜の両面に貼り付けられる電極２と、伸長する方向の両端部に設けたそれぞれの基台３から構成されている。
【００２３】
なお、図１（ｄ１）乃至図１（ｄ３）は、ガイド４やガイドローラー５を用いることで、多様な設置条件に対応可能である事を示す模式図である。図１（ｄ１）は、薄い平面型人工筋肉６を平面的な隙間に使用する場合を模試的に示したものであり、特に構造物同士の狭い隙間部等への設置が可能となる。図１（ｄ２）は、障害物を避けなければならない場所へ伸長変位を伝達する場合でも屈曲したガイドにそって穏やかに角度変化をして往復運動を前記変換機構８へ伝達することが可能であることを示している。図１（ｄ３）は、回転するガイドローラー５に沿って急激な角度変化が必要な場合であっても、往復運動を前記変換機構８へと伝達することが可能となることを示している。
【００２４】
図２を用いて、本発明に係る人工筋肉１０が直径の異なる基台の間で錐台形状となるように周設された構成を採用する場合の基本的構成を説明する。図２（ａ）が錐台型人工筋肉７の平面視を示し、図２（ｂ）は、前記図２（ａ）の平面視に対する片側断面（Ａ−Ａ‘）の正面図である。
【００２５】
図３は、本発明に係る誘電エラストマー１１を複数用いる構成の説明図であり、図３（ａ）は一つの錐台型人工筋肉７に複数の誘電エラストマー１１を用いる構成を示し、図３（ｂ）は、一つの誘電エラストマー１１で一つの錐台型人工筋肉７を構成し、係る一つの錐台型人工筋肉７を四個連結して用いる構成を示したものである。詳しくは、図３（ａ）では、ピッチ円直径が異なるように組み合わされた２枚の誘電エラストマー１１によって錐台型人工筋肉７が構成されている場合の実施例であり、さらに誘電エラストマー１１を増やして多層化構成としても良い。この場合、基台３の間で伸長するストローク量は増えないが、大きな出力を得ることが可能となる。図３（ｂ）では、前記図３（ａ）とは異なり、連結された錐台型人工筋肉７の最両端に配置される基台３の間でストローク量を増やす構成である。係る構成を採用する理由は、誘電エラストマー１１の伸長変位を利用して、大きな力や伸長量を得ようとすると、これに対応する大きな電圧を印加する必要があり、そうすると耐久性が低下するという問題が生じるからである。
【００２６】
図４は、本発明に係る誘電エラストマーモーター１において、人工筋肉１０を円錐台形状に配置した構成を採用した場合の弾性部材３１の配置状態説明図であり、図４（ａ）全体の形状を示す斜視図であり、図４（ｂ）は弾性部材３１が外側に配置される場合の構成を示し、図４（ｃ）は弾性部材３１が円錐台型にした誘電エラストマー１１の内部であって二枚の基台の間に配置させた構成を示し、図４（ｄ）は外部にコイルばねを配置した場合を示し、図４（ｅ）はコイルばねによる弾性部材３１が円錐台型にした誘電エラストマー１１の内部であって二枚の基台３の間に配置させた構成を示している。即ち、固定された片側の基台３に対し電圧が印加され伸長した誘電エラストマー１１によって可動側の基台３を元の位置に戻すための反力が必要となる。係る反力に弾性部材３１の弾性を利用して元に戻している。これらの戻す動作をするために円錐台形状にした構成の場合の弾性部材３１の配置構成には図に示したような種々のレイアウトが可能である。なお、大きな出力を発生させるためには大きな電圧を印加しなければならず、もとに戻すためにはこれに対応した反力をもった弾性部材３１を設ける必要がある。錐台型人工筋肉７とすることにより係る弾性部材３１は、外部や内部に自在な配置が可能である。また、図４（ｄ）に示したように、コイルばねの場合、引っ張りばねと圧縮ばねを使い分けることにより、内側に配置する場合は引っ張りばねを用い、外側に配置する場合には圧縮ばねとすることが考え得る。なお、弾性部材３１を用いる場合は外部に当接させておく必要がある。
【００２７】
図５は、錐台型人工筋肉７による駆動力の発生状態説明図である。図５（ａ）は、錐台型人工筋肉７を向い合せて二つ使用し、相互の伸長と伸縮を繰り返して、動力を得る構成である。図５（ｂ）は、錐台型人工筋肉７が一つで同様の動作をさせる構造を例示したものである。図５（ｃ）は、直線運動からカム機構を用いて回転運動に変換する全体構成を示した図面であり、誘電エラストマー１１の微小な直線往復運動をカム２０によってカム溝１３をトレースするように出し入れが繰り返され、その接触作動により被駆動部材３０を回転させる実施例を示している。
【００２８】
図６は、本発明に係る錐台型人工筋肉７による変換機構説明図である。図６は、カム２０を用いて被駆動部材３０を回転させるシンプルな構造の動作説明図であり、図面上では、二つの錐台型人工筋肉７を一組とし、小径の可動側基台３Ｂを突き合わせ、大径の固定側基台３Ａを板等に固定し、その二つの壁の間で伸長変位を起こさせて右側に示されたカム２０によってカム溝１３をトレースするように出し入れが繰り返され、その接触作動により回転する変換機構８を示したものである。
【００２９】
図６（ａ）には２つの人工筋肉が釣り合った状態を示し、図６（ｂ）は、カム２０が押し出された状態、図６（ｃ）はカム２０が引き込まれた状態のそれぞれを示している。図６（ａ）の釣り合いの状態では、カム２０は、被駆動部材３０のカム溝１３の斜辺部に位置し、図６（ｂ）では、カム２０がカム溝１３の最も谷部となる付近に接触し、図６（ｃ）におけるカム２０は、カム溝１３の最頂部付近に接触している状態を示している。また、本発明に係る誘電エラストマーモーター１は、電気制御により係る往復運動を自由に制御することが可能であることから、連続して繰り返せば一定方向への回転となり、斜辺部又は谷部に接した場合は、回転をその位置で保持する能力を有するようにカム２０を制御することで、あまり伸長のストロークが取れない場合であっても、連続して直線往復運動を繰り返させ、回転運動を得ることができる。
【００３０】
なお、図２から図６の図面では、円錐台形状に基づいて形成された誘電エラストマー１１からなる錐台型人工筋肉７を示しているが、これらの各図面に示した円錐台形状のみならず、角錐台形状の錐台型人工筋肉７であっても良く、この場合は誘電エラストマー１１を一枚で角錐台形状としたり、複数枚の誘電エラストマー１１を周方向に配置して角錐台形状とする構成にして、これをそれぞれの誘電エラストマー１１毎に別個独立に制御することにより、直線的な変位の他、角度変位も得る構成としたり、或いは、多数枚の誘電エラストマー１１によって多角錐台形状や略円錐台形状の錐台型人工筋肉７とし、首ふり的な略円状動作を得ることも有用である。即ち、本発明において、誘電エラストマー１１を角錐型や略円錐型とする配置による錐台型人工筋肉７とする構成は、図面として示していなくとも、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００３１】
図７は、本発明に係る平面型人工筋肉６の使用例説明図である。図７は、本発明に係る誘電エラストマーモーター１において、直線運動を回転運動に変換する変位変換機構８のうち、カム２０を用いた構成を示す実施例であり、図７（ａ）は、平面型人工筋肉６が、一つで可動させる構成を示し、図７（ｂ）は、平面型人工筋肉６を二つ用いて稼働させる状態を示し、図７（ｃ）は、平面型人工筋肉６を多数用いて稼働させるそれぞれの構成を示している。
【００３２】
図７（ａ）は、初期起動時において、平面型人工筋肉６の押圧部に係るカム２０の傾斜部とカム溝１３の傾斜とが当接した状態を示し、また、係る状態において、カム２０の動作方向に対する被駆動部材３０の回転方向が定めにくいという状態を示している。但し、平面型人工筋肉６の押圧部に係るカム２０の往復運動の初期動作の押し引き方向を特定することで、被駆動部材３０を所望する一方向へ回転させることが可能となる。
【００３３】
但し、図７（ａ）のように、平面型人工筋肉６を一つのみで駆動する場合であると、カム２０の頂部がカム溝１３の谷部に位置してしまった場合において駆動を始めるという状態では、カム２０がカム溝１３に対し回転方向が定まらず、押し引き動作をしても回転しないことが起こりうる。そこで、係る構成を採用する場合では、カム２０またはカム溝１３の形状を工夫し、どちらか、もしくは双方を非対称形状とするなど、右方向に向かう頂部から谷部の形状と、左方向へ向かう頂部から谷部の形状とが異なる形状とすることで、必ず一方向に力が作用するような工夫をすることが望ましい。
【００３４】
図７（ｂ）は、二つの平面型人工筋肉６を用いる構成において、一つの平面型人工筋肉６に係るカム２０が、カム溝１３の頂部（図７（ｂ）の上部参照）又は谷部にあるとき、必ず他方の平面型人工筋肉６は、頂部と谷部の間を結ぶカム溝１３の斜面（図７（ｂ）の下部参照）に接触している状態を示している。係る態様を採用するのは、双方の平面型人工筋肉６が複数の連続するカム２０を駆動する場合であると、双方の平面型人工筋肉６が共にカム溝１３の頂部又は谷部に当接した場合に、前記の平面型人工筋肉６を一つのみで駆動する場合と同様に直線運動から回転運動に変換できないという問題が生じ得るからである。そこで、このような問題を解決すべく、図７（ｂ）に例示したように、対向する位置からわずかにカム２０がカム溝１３の頂部から底部にかける周期の約半分程度の位相差を持たせて配置している。
【００３５】
図７（ｃ）は、本発明に係る変換機構８のうち、被駆動部材３０に対し、平面型人工筋肉６を多数配設することで、ステッピングモーターのように利用する実施例を示している。係る構成を用いることで回転力の増加や位置の保持力を高めるとともに、ステッピングモーターのような、角度制御を容易に行うことができる。また、平面型人工筋肉６を放射状に多数配置する構成では、その数に応じてより精密な位置精度を実現可能となる。
【００３６】
なお、図７（ｃ）は９個のカム２０に対し、６個の平面型人工筋肉６を配置しているが、係る図示の構成に限定されることなく、任意の全てのカム溝１３に当接するように平面型人工筋肉６を配置してもよい。例えば、前記全てのカム溝１３に当接する態様で構成した場合、即ち、平面型人工筋肉６を９個用いる場合では、同然ながら図７（ｂ）に示した人工筋肉６を６個使用した場合と比べて大きな力を得ることや、位置決め並びに保持精度が高まる構成となる。
【００３７】
本発明に係る誘電エラストマーモーター１は、平面型人工筋肉６を用いる構成にすることで全体的に薄型とすることが可能である一方、他方では、図８に示したように、錐台型人工筋肉７のような立体的形状に構成して作用させることも可能であり、図８は、本発明に係る変換機構８に前記立体的形状となるように誘電エラストマー１１を利用する構成の例として、円筒カム１６を用いた実施例説明図であり、図８（ａ）は、電圧を印加していない状態を示し、図８（ｂ）は、電圧を印加して伸長している状態を示している。係る実施例においては、錐台型人工筋肉７を直列的に配置することで、その伸長量を増加させてストロークを確保し、円筒カム１６を駆動する構成である。具体的には、一端を壁に固定した前記錐台型人工筋肉７からの伸長変位を回転変位に変換する構成であり、図８に示す円筒カム１６の外周に設けられた案内溝ａ１７に摺動して駆動させるカム２０によって、前記円筒カム１６を回転させる構造である。この時、前記錐台型人工筋肉７の伸長変位は、スライドガイド１９が案内溝ｂ１８によって安定した状態で往復するように案内される構成を例示したものである。
【００３８】
図９は、本発明に係る押圧部材の角度調整説明図である。図９（ａ）は、固定壁Ｋに対し２以上の人工筋肉１０を、直線運動方向に並列した状態で配置し、図９（ｂ）は直線運動方向に対して一方の人工筋肉１０を直線運動方向配置し、他方の人工筋肉１０を前記直線運動方向と交差する方向に配置した構成を示す構成説明図である。図９（ａ）は、押圧部材を自ら調節して接触する位置を変化させることにより、常に適した角度で押圧させることが可能である。
【００３９】
図９（ａ）は、二つの人工筋肉１０を並列して配置した構成における動作を示したものであり、左側に示したものは、前記二つの人工筋肉１０の何れにも電圧を印加せず、最も収縮した状態であって、左右方向に対しては、弾性部材３１が左右に存在することにより釣り合っている状態を示し、中央に示したものは、二つの人工筋肉１０に其々同じ電圧を印加し、最も伸長した状態であって、左右方向に対しては、弾性部材３１の存在により釣り合っている状態を示し、右側に示したものは、二つの人工筋肉１０において一つの人工筋肉１０に電圧を印加し、他方の人工筋肉１０には電圧を印加しない状態であって、その伸長変位の差から角度制御が可能となることを示している。係る構成を利用することにより、カム２０並びにカム溝１３との接触関係において、遊びを生じることがなく、また、前後と角度調整を複数組み合わせることにより、複雑な動作制御を可能とするものである。
【００４０】
図９（ｂ）は、二つの人工筋肉１０の内、図面上で一方が垂直方向に配置し、他方は水平方向に配置した構成における動作を示したものであり、左側に示したものは、垂直方向及び水平方向の何れの人工筋肉１０にも電圧を印加しない状態を示し、中央に示したものは、垂直方向の人工筋肉１０には電圧を印加し、水平方向の人工筋肉１０には角度変化を伴わないようにわずかに電圧を印加して、垂直方向への角度変化を起こさせずに真直ぐに上方へとカム２０を突き出す状態を示し、右側に示したものは、垂直方向及び水平方向の何れにも電圧を印加して、カム２０の頂部が垂直方向には変化させず、カム２０の角度のみを変化させている状態を示している。このように、カム２０の突き出し量や、カム２０の角度等を精密に制御することによって、緻密な動作制御を容易にする構成である。
【００４１】
次に、図１０は、本発明に係る変換機構８のうち、ラック＆ピニオン構造を用いた実施例説明図であり、ラック２６が直線方向に往復することで、ピニオンギヤ２８を所定の角度で反転回動させる構造を示し、図１０（ｂ）は、ピニオンギヤ２８を挟み込むように二つのラック２６を移動させることにより、連続する往復運動から連続する回転運動に変換する機構を示している。また、図示はしていないがスライダーとローラーを前記ラック２６＆ピニオンギヤ２８に置き換えて、接触摩擦により同様の駆動構造を構成してもよい。
【００４２】
次に、図１１は、本発明に係る変換機構８のうち、ラチェット構造によるフリーハブ機構を用いた実施例説明図である。回転するローター２７の円周縁部に、回転方向のうち一方向にのみ動力を伝達しうるラチェット歯２９を複数設け、該ラチェット歯２９を回転動力の伝わる方向に対して、人工筋肉１０により押圧して駆動力を得る構成である。係る機構は、自転車のフリーホイールハブに代表されるように使用されるもので、周知な構造のものでよい。
【００４３】
また、回転方向が異なるラチェット構造を二つとそれに対応した人工筋肉１０を二つ設けることで、正転、逆転する構成を採用することも有効である。より詳しくは、図１１に示したように、ローター２７の円周縁部に設けるラチェット歯２９が、二列逆向きに配置される構成であり、図面では、実線で示されているのが手前側の一列のラチェット歯２９であり、破線で示されているのは、その奥側に配置されている前記ラチェット歯２９とは向きの異なるラチェット歯２９である。即ち、回転方向を規制するラチェット機構を複数備えることにより、正回転と逆回転との切り替えを可能とする構成が示されている。
【００４４】
次に図１２は、本発明に係る変換機構８のうち、ピック＆プレース型機構を用いた実施例説明図である。図１２（ａ）から図１２（ｅ）に示すように、曲状に複数の溝２３が設けられた溝付回転ディスク２２と、直線上に複数の突起２５が設けられたスライドプレート２４から構成され、常に前記溝２３のいずれかに、前記突起２５のいずれかが回転方向に押圧するよう当接することで、連続直線運動を連続回転運動に変換できる構成の変換機構８である。
【００４５】
次に図１３は、本発明に係る変換機構８にワンウェイ機構４０を用いた実施例説明図であり、図１３（ａ）は、ワンウェイ機構４０の構造説明図であり、図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）は、錐台型人工筋肉７の直線的な一方向のみの動きによる駆動力を回転力として伝達するためのベルト４５の配置構成例を示している。なお、図示とは異なり平面型人工筋肉６に置き換えてもよい。但し、伸長量を得るために高い電圧を印加すると、耐久性の低下が問題となる。そこで、図１３に示すように、誘電エラストマー１１を錐台型人工筋肉７にすることにより、低い印加電圧でも伸長量を確保して、ストローク量を得る構成とすることが有効である。
【００４６】
ワンウェイ機構４０の構造を具体的に説明すると、外側ローラー４２と内側ローラー４１が弾性部材４６（例えばスプリング等）で押圧されるボール４４によって、一方の回転方向では接触面圧が高くなることで動力を伝達し、他方の回転方向では接触面圧を低くすることにより動力の伝達を切断する構造である。
【００４７】
前記ワンウェイ機構４０を用いて往復運動を回転運動へ変えるためには、人工筋肉１０による伸長を伝達するための伝達構造が必要となる。図１３（ａ）に示す変換機構８では、人工筋肉１０に錐台型人工筋肉７を二つ用いた構成であり、該二つの錐台型人工筋肉７と前記ワンウェイ機構４０を繋ぐために必要な部材として、ベルト４５を用いている。
【００４８】
図面上では、係るベルト４５を紐状もしくは帯状に示しているが、これらの形状及び種類に限定されることなく、例えば、前記ワンウェイ機構４０の外側ローラー４２の外周にスプロケットを備えてベルト４５をチェーンとして用いる構成でもよく、また、例えば、前記ワンウェイ機構４０の外側ローラー４２の外周にタイミングベルト用の凹凸を設け、ベルト４５には、タイミングベルトそのものを用いても良い。またさらに、前記ワンウェイ機構４０の外側ローラー４２の外周縁部にピニオンギヤを設けて、これをラックギア２６の両端に人工筋肉１０（図１３（ａ）及び図１３（ｂ）では錐台型人工筋肉７で例示）を配置して、一方には電圧を印加し、他方には電圧を印加しない状態を交互に繰り返すことで往復運動をさせる構成の変換機構８としてもよい。即ち、用途に応じて適宜最適と思われるベルト４５の種類を選択することが望ましい。そしてなお、これらと同様な構造として、図示はしていないが、遊星歯車機構とベルト４５の組合せなども機械的損失が少なく有用である。
【００４９】
なお、図面の何れにも本発明に係る人工筋肉１０を用いた誘電エラストマーモーター１を外部ケースで覆う構成の実施例は示めしていないが、これは固定側基台３Ａと稼動側基台３Ｂの取り付けが、直接駆動しようとする非駆動部材と、これを押し出し等する固定部材とに直接貼着や糊着、もしくは螺合部材による螺着などで固定できる場合には外部ケースが不要だからである。ただし、外部ケースを有することで、汎用性を高める構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る誘電エラストマーモーター１は、ウェアラブルの空冷や医療用の調整機能を有する止血装置、血圧計の腕を圧迫する部分、電動自転車、電気自動車、電動飛行機、ヘリコプタ、ロボットなど、基本的に既存のモーターで実現しているものの他、圧気などを用いているアクチュエータなどに取って代わることが出来、その産業上の利用可能性はきわめて大きい。
【符号の説明】
【００５１】
１           誘電エラストマーモーター
２           電極
３           基台
３Ａ       固定側基台
３Ｂ       可動側基台
４           ガイド
５           ガイドローラー
６           平面型人工筋肉
７           錐台型人工筋肉
８           変換機構
１０       人工筋肉
１１       誘電エラストマー
１３       カム溝
１４       リング状ローター
１６       円筒カム
１７       案内溝ａ
１８       案内溝ｂ
１９       スライドガイド
２０       カム
２２       溝付回転ディスク
２３       溝
２４       スライドプレート
２５       突起
２６       ラック
２７       ローター
２８       ピニオンギア
２９       ラチェット歯
３０       被駆動部材
３１       弾性部材
４０       ワンウェイ機構
４１       内側ローラー
４２       外側ローラー
４３       出力軸
４４       ボール
４５       ベルト
４６    弾性部材
Ｋ           壁
【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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