(57)【要約】【課題】本発明は、高分子誘電体アクチュエータ、及び、それを用いたインチワームロボットに関するものである。【解決手段】相互対向する第１及び第２面とその間に位置した側面とを有し、非圧縮性高分子誘電体から成る少なくとも一つの高分子誘電体フィルムと、上記第１面及び第２面に各々接続された第１及び第２軟性電極とを具備した積層型駆動部と、上記高分子誘電体フィルムに作用する予ひずみがほぼゼロとなるよう上記高分子誘電体フィルムの側面に沿って形成された固定フレームとを含んだアクチュエータを提供する。本発明による高分子誘電体アクチュエータは上記第１及び第２軟性電極を通して上記高分子誘電体フィルムに電圧が印加されると、上記積層型駆動部が上記第１及び第２面中一面の方向へ突出し上記印加された電圧に相応する変位を提供する。【選択図】        図２
2005260236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互対向する第１及び第２面とその間に位置した側面とを有し、非圧縮性高分子誘電体から成る少なくとも一つの高分子誘電体フィルムと、上記第１面及び第２面に各々接続された第１及び第２軟性電極とを具備した積層型駆動部と、
上記高分子誘電体フィルムに作用する予ひずみがほぼゼロとなるよう上記高分子誘電体フィルムの側面に沿って形成された固定フレームとを含み、
上記第１及び第２軟性電極を通して上記高分子誘電体フィルムに電圧が印加されると、上記積層型駆動部が上記第１及び第２面中一面の方向へ突出し上記印加された電圧に相応する変位を提供することを特徴とする高分子誘電体アクチュエータ。
【請求項２】
上記高分子誘電体フィルムは、所望の方向へ変位が誘導されるよう上記方向へ隆起した構造を有することを特徴とする請求項１に記載の高分子誘電体アクチュエータ。
【請求項３】
上記高分子誘電体フィルムは円板型であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高分子誘電体アクチュエータ。
【請求項４】
上記積層型駆動部は、複数個の高分子誘電体フィルムが積層された構造を有し、上記積層された高分子誘電体フィルム間に配された第１または第２軟性電極は隣接した異なる高分子誘電体フィルムの第２または第１軟性電極として提供されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の高分子誘電体アクチュエータ。
【請求項５】
上記積層型駆動部は最上部と最下部に配された軟性電極を保護するための電極保護皮膜をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の高分子誘電体アクチュエータ。
【請求項６】
上記軟性電極は異なる軟性電極との電気的絶縁を保障するために、上記各々の高分子誘電体フィルムの外周から所定の間隔で分離形成されたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の高分子誘電体アクチュエータ。
【請求項７】
所定の電圧が印加された後に、上記高分子誘電体フィルムに残留した電荷を除去するために上記軟性電極に連結された放電部をさらに含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の高分子誘電体アクチュエータ。
【請求項８】
複数個のアクチュエータモジュールが積層されて成る体節駆動体と、
上記複数個のアクチュエータモジュールが保護されるよう上記体節駆動体の周囲を包囲し、上記アクチュエータモジュールの変位を保障するために上記複数個のアクチュエータモジュール間に体節部が形成された外形構造と、
上記複数個のアクチュエータモジュールに電気的に連結され駆動電圧を提供する電源供給部とを含み、
上記複数個のアクチュエータモジュール各々は、上下面を有する基板と上記基板の少なくとも一面に配された複数個の高分子誘電体アクチュエータと上記複数個のアクチュエータに電圧を印加するために上記基板上に形成された回路パターンとを有する複数個のアクチュエータモジュールが積層されて成り、
上記複数個の高分子誘電体アクチュエータ各々は、相互対向する第１及び第２面とその間に位置した側面とを有し、非圧縮性高分子誘電体から成る少なくとも一つの高分子誘電体フィルムと、上記第１面及び第２面に各々接続され上記回路パターンと連結された第１及び第２軟性電極とを具備した積層型駆動部と、上記高分子誘電体フィルムに作用する予ひずみがほぼゼロとなるよう上記高分子誘電体フィルムの側面に沿って形成され上記基板上に付着された固定フレームとから成ることを特徴とするインチワームロボット。
【請求項９】
上記積層型駆動部は、複数個の高分子誘電体フィルムが積層された構造を有し、上記積層された高分子誘電体フィルム間に配された第１または第２軟性電極は隣接した異なる高分子誘電体フィルムの第２または第１軟性電極として提供されることを特徴とする請求項８に記載のインチワームロボット。
【請求項１０】
上記アクチュエータモジュールの基板は円形で、上記アクチュエータモジュールの高分子誘電体アクチュエータは上記基板の外周に沿って等間隔で配された３対から成ることを特徴とする請求項８又は９に記載のインチワームロボット。
【請求項１１】
上記アクチュエータモジュールの回路パターンは、上記複数個の高分子誘電体アクチュエータに連結された共通接地パターンと上記３対の高分子誘電体アクチュエータに各々連結された３つの電源供給パターンから成ることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載のインチワームロボット。
【請求項１２】
所定の電圧が印加された後に、上記高分子誘電体フィルムに残留した電荷を除去するために上記電源供給部と並列で上記３つの電源供給パターンに連結された放電部をさらに含むことを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載のインチワームロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子誘電体アクチュエータに関するもので、より詳しくは、劣化現象を引き起こす予ひずみを利用せずに大きい変位を得ることのできる高分子誘電体アクチュエータ、及び、これを用いたインチワームロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在までマイクロロボットに最も普遍に使用されたアクチュエータとしては、電動モータのような電磁気原理に基づいたアクチュエータが主を成していたが、最近は、圧電素子や形状記憶合金などを利用したり、機能性高分子（electroactive polymer）原理に基づいたマイクロロボットに対する研究が活発に進んでいる。
【０００３】
とりわけ、人工筋肉アクチュエータ（artificial muscle actuator）とも呼ばれる機能性高分子を用いたアクチュエータは、従来の電動モータのようなアクチュエータ技術を代替する技術として脚光を浴びている。こうした機能性高分子は多様な物質を含み、各材料の特性、長所、及び、短所によって多様な形態のアクチュエータが開発できるので、幅広い応用が期待される。
【０００４】
機能性高分子物質の中でも、最近大きく注目される物質としては、誘電弾性体（dielectric elastomer）とも呼ばれる非圧縮性高分子誘電体がある。上記高分子誘電体は比較的高圧の電源を要するにも拘らず、駆動及び加工が容易で、応答速度が速く、価格が安いなどの利点を有する。
【０００５】
こうした非圧縮性高分子誘電体の駆動原理は、電場により発生した高分子誘電体フィルムの厚さ減少及び／またはそれによる面積の増加を利用することである。ここで、上記高分子誘電体フィルムの厚さ減少は、電場の方向へ収縮される有効圧力により発生する。上記有効圧力σzは、下記数（以下、数式）１から求めることができる。
【数１】
2005260236.tif 000003
上記数式１において、Ｅは電場、ｔは弾性体の最終厚さ、Ｖは印加電圧（または駆動電圧）、ε0とεrは各々自由空間の誘電率と高分子の誘電率である。また、有効圧力σzによって発生する変形率δzも電場の自乗に比例する。したがって、圧縮力による最終厚さはｔ＝（１+δz）ｔ0（ｔ0は弾性体の初期状態の厚さ）で表すことができる。
【０００６】
上記数式１を有効圧力σzによるｚ方向の変形率δzで表すと、下記数式２を通して下記数式３のような変形率δzに関する３次方程式を得ることができる。
【数２】
2005260236.tif 000004
【数３】
2005260236.tif 000005
上記数式２及び３において、Ｙは材料の引張強度である。
【０００７】
図１は、上記数式３に基づいてシリコン材料の電圧増加による変形率δzをシミュレーションした曲線である。ここで、上記シリコン材料は、引張強度が２で、絶縁破壊（break down）強度は２０ｋＶ／ｍｍで、相対的誘電率が２．８の物性を有する。
【０００８】
図１によると、絶縁破壊強度により許容される電圧範囲においては、変形率δzは０．２５ないし３％に過ぎないことが分かる。
【０００９】
高分子誘電体物質は非圧縮性なので、高分子誘電体フィルムが円形の場合を仮定すると、水平方向による変形率（δr）は下記数式４のように表すことができる。
【数４】
2005260236.tif 000006
上記数式４に基づく級数展開を通して近似値を求めると、水平方向変形率δrは、「−（１／２）δz」で計算することができる。
【００１０】
このように、高分子誘電体の変形率は、垂直方向はいうまでもなく水平方向も大変制限されることが分かる。即ち、高分子誘電体物質は、電場の圧縮力による変形をそのまま利用する場合には、相対的に小さい変位と出力を表すので、実際の応用では問題となりかねない。
【００１１】
こうした問題を解決し、高い変位と出力を得るために、最近開発された高分子誘電体アクチュエータは、高分子誘電体に予ひずみ（prestrain）を印加する方式を利用する。予ひずみが印加された高分子誘電体フィルムは、弾性体内部に応力が残留し、それによりフィルムが変形するので、弾性平衡が再構成される。このように予ひずみにより弾性力が再構成された高分子誘電体フィルムは、電場による変形量を大幅に増幅させられることが知られている。
【００１２】
しかし、こうした予ひずみは、高分子誘電体アクチュエータに否定的な結果を招く原因となる。
【００１３】
より具体的に、高分子誘電体フィルムに予ひずみを印加する場合、アクチュエータの高分子誘電体は一定の変形を維持しているので、一般的な機械的物性である応力緩和（stress relaxation）現象が起こる。これは結果として、高分子誘電体アクチュエータの性能を漸次低下させる問題を招く。
【００１４】
また、従来の高分子誘電体アクチュエータは予ひずみを維持するために外部構造物を要するので構造が複雑となり、動力発生と関係の無い重量が増加する。これによって、従来の高分子誘電体アクチュエータは、重量対比出力効率が低下するという問題を抱えていた。
【００１５】
さらに、予ひずみによる従来の高分子誘電体アクチュエータは、正確に表現すると、能動的駆動というよりは受動的駆動に近い駆動方式なので、アクチュエータ外部からスプリングのような別途の弾性体を通して、一定の弾性力を与えなければならない。こうした付加的な弾性体により重量対出力比が半減し、超小型アクチュエータの製造において大きな制限要素となる。
【００１６】
このように、予ひずみを適用する従来の高分子誘電体アクチュエータは、変形量を増幅させ実用可能な変位量を提供する利点があるにも拘らず、応力緩和現象による信頼性の低下と付加要素による重量対比出力の低下という制限があるので、長期間使用しても優れた信頼性を維持でき小型化が可能なアクチュエータを提供するには限界があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は上述した従来の技術の問題を解決するためのものとして、その目的は、優れたアクチュエータを提供する際に諸問題を引き起こす予ひずみを印加しない状態でも、充分な変位量を提供することのできる新たな高分子誘電体アクチュエータを提供することにある。
【００１８】
本発明の他目的は、上記高分子誘電体アクチュエータを利用して、３自由度運動が可能なインチワームロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記技術課題を成し遂げるために、本発明は、高分子誘電体フィルムに予ひずみを印加しない状態で大きい変位と出力を得ることのできる、新たな構造の高分子誘電体アクチュエータを提案する。
【００２０】
本発明による高分子誘電体アクチュエータは、相互対向する第１及び第２面とその間に位置した側面を有し、非圧縮性高分子誘電体から成る少なくとも一つの高分子誘電体フィルムと、上記第１面及び第２面に各々接続された第１及び第２軟性電極（compliant electrode）を具備した積層型駆動部と、上記高分子誘電体フィルムに作用する予ひずみがほぼゼロとなるよう上記高分子誘電体フィルムの側面に沿って形成された固定フレームを含み、上記第１及び第２軟性電極を通して上記高分子誘電体フィルムに電圧が印加されると、上記積層型駆動部が上記第１及び第２面中一面の方向へ突出し上記印加された電圧に相応する変位を提供することを特徴とする。
【００２１】
好ましくは、上記高分子誘電体フィルムは、所望の方向へ変位が誘導されるよう上記方向へ隆起した構造を有し、上記高分子誘電体フィルムは円板型であることができる。
【００２２】
また、本発明の好ましき実施形態においては、上記積層型駆動部は変位に対する充分な剛性を確保するために、複数個の高分子誘電体フィルムが積層された構造で具現することができ、この場合に上記積層された高分子誘電体フィルム間に配された第１または第２軟性電極は隣接した異なる高分子誘電体フィルムの第２または第１軟性電極として提供される。
【００２３】
本実施形態において、上記積層型駆動部は最上部と最下部に配された軟性電極を保護するための電極保護皮膜をさらに含むことができる。
【００２４】
上記軟性電極は異なる軟性電極との電気的絶縁を保障するために、上記各々の高分子誘電体フィルムの外周から所定の間隔で分離形成されることが好ましい。
【００２５】
さらに、応答特性を改善するために、所定の電圧が印加された後上記高分子誘電体フィルムに残留した電荷を除去するために上記軟性電極に連結された放電部をさらに含むことが好ましい。上記放電部を構成する回路は駆動電圧を供給するための駆動回路と並列で構成することができ、一体化した形態で放電機能を備えた駆動部として提供されることができる。
【００２６】
本発明は上記高分子誘電体アクチュエータを用いたインチワームロボットを提供することができる。
【００２７】
本発明によるインチワームロボットは、複数個のアクチュエータモジュールが積層されて成る体節駆動体と、上記複数個のアクチュエータモジュールが外部から保護されるよう上記体節駆動体の周囲を囲繞し、上記アクチュエータモジュールの変位を保障するために上記複数個のアクチュエータモジュール間に体節部が形成された外形構造と、上記複数個のアクチュエータモジュールに電気的に連結され駆動電圧を提供する電源供給部を含む。ここで、上記複数個のアクチュエータモジュール各々は、上下面を有する基板と上記基板の少なくとも一面に配された複数個の高分子誘電体アクチュエータと上記複数個のアクチュエータに電圧を印加するために上記基板上に形成された回路パターンを有する複数個のアクチュエータモジュールが積層されて成り、上記複数個の高分子誘電体アクチュエータ各々は相互対向する第１及び第２面とその間に位置した側面を有し、非圧縮性高分子誘電体から成る少なくとも一つの高分子誘電体フィルムと、上記第１面及び第２面に各々接続され上記回路パターンと連結された第１及び第２軟性電極を具備した積層型駆動部と、上記高分子誘電体フィルムに作用する予ひずみがほぼゼロとなるよう上記高分子誘電体フィルムの側面に沿って形成され上記基板上に付着された固定フレームから成ることを特徴とする。
【００２８】
好ましくは、上記積層型駆動部は、複数個の高分子誘電体フィルムが積層された構造を有し、上記積層された高分子誘電体フィルム間に配された第１または第２軟性電極は隣接した異なる高分子誘電体フィルムの第２または第１軟性電極として提供される。
【００２９】
また、本発明の好ましき実施形態においては、上記アクチュエータモジュールの基板は円板型で、上記アクチュエータモジュールの高分子誘電体アクチュエータは上記基板の外周に沿って等間隔で配された３対から成ることができる。
【００３０】
本実施形態において、上記アクチュエータモジュールの回路パターンは、上記複数個の高分子誘電体アクチュエータに連結された共通接地パターンと上記３対の高分子誘電体アクチュエータに各々連結された３つの電源供給パターンから成ることが好ましい。
【００３１】
また、所定の電圧が印加された後に、上記高分子誘電体フィルムに残留した電荷を除去するために上記電源供給部と並列で上記３つの電源供給パターンに連結された放電部をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
上述したように、本発明によると、予ひずみを適用しない状態でも充分な変位量を有する優れた高分子誘電体アクチュエータを提供することができる。また、本発明はこうした高分子誘電体アクチュエータを利用して、３自由度運動が可能なインチワームロボットを提供する。
【００３３】
さらに、本発明によるアクチュエータは、駆動回路に放電部を用いることにより残留電荷による問題を解決し、周波数応答特性を画期的に改善することができる。
【００３４】
上述したように、本発明による高分子誘電体を用いたアクチュエータは、予ひずみを利用した方法に比べて、時間が経過してもアクチュエータの性能が安定し、外部構造物をできる限り排除することから、軽量且つ小型に作製できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、添付の図を参照しながら本発明の好ましき実施例について、より詳しく説明する。
【００３６】
図２及び図３は、本発明の一実施形態による高分子誘電体アクチュエータを示す。
【００３７】
図２によると、上記高分子誘電体アクチュエータ２０は、第１及び第２軟性電極２７ａ、２７ｂとその間に積層された高分子誘電体フィルム２２とを含んだ積層駆動部と、上記高分子誘電体フィルム２２の側面を包囲した固定フレームと２６を含む。上記固定フレーム２６は、上記高分子誘電体フィルム２２に作用する予ひずみがほぼゼロとなるよう、高分子誘電体フィルム側面に沿って装着される。
【００３８】
上記高分子誘電体フィルム２２は、非圧縮性物質としてシリコン、フルオロ（fluorine）弾性重合体、ポリブタジエン、及び、イソプレンなどから選択して使用することができる。本実施形態に用いられる高分子誘電体フィルム２２は円板型で、この形状により上記固定フレーム２６は、上記円板型に対応する内部直径を有するリング型構造から成る。上記固定フレーム２６は、上記高分子誘電体フィルム２２が水平的膨張、即ち側面方向の膨張を阻止できる剛性物質で製造されることができる。また、本実施形態のような上記高分子誘電体フィルム２２は、上部または下部中の所望の方向へ変位が誘導されるよう、特定の方向へ隆起した構造を有することが好ましい。こうした隆起した構造は、高分子誘電体フィルム２２の直径を固定フレーム２６の内部直径より多少大きく製造することにより、容易に具現できる。
【００３９】
上記第１及び第２軟性電極２７ａ、２７ｂは、上記高分子誘電体フィルム２２の変形を誘導する電圧を提供する役目を果たし、カーボン、グラファイト、または、伝導性ポリマーから成ることができる。上記軟性電極２７ａまたは２７ｂは、異なる軟性電極２７ｂまたは２７ａとの望まない放電によるショートを防止するために、図２及び図３に示すように、高分子誘電体フィルム２２の外周から所定の間隔で分離形成することが好ましい。
【００４０】
さらに、本実施形態においては図示されないが、上記積層型駆動部は外部の影響による損傷を防止するために、高分子誘電体フィルム２２上に、軟性電極２７ａ、２７ｂを保護するための電極保護皮膜（図示せず）を、さらに含むこともできる。
【００４１】
本実施形態による高分子誘電体アクチュエータ２０においては、上記第１及び第２軟性電極２７ａ、２７ｂを通して上記高分子誘電体フィルム２２に電圧が印加されると、非圧縮性の高分子誘電体フィルム２２は側面方向へ膨張しようとするが、固定フレーム２６に抑制され、上記第１及び第２面中一面の方向へ突出する変位を発生させる。本発明による高分子誘電体アクチュエータの作用原理は、図４ないし図６を参照してより詳しく説明する。
【００４２】
図４ないし図６は、本発明による高分子誘電体アクチュエータ３０の駆動原理を説明するための側断面図である。ここで、図３のように、高分子誘電体フィルム３２の上下面には各々軟性電極が配されるが、説明の便宜を図り省略した形で図示した。
【００４３】
図４によると、所定の直径ｄを有する円板型高分子誘電体フィルム３２は、その外郭に付着された固定フレーム３６により固定される。上記高分子誘電体フィルム３２は非圧縮性物質で、上記固定フレーム３６は初期状態（電圧印加前）の高分子誘電体フィルム３２の水平方向への拡張を抑制する剛性物質から成る。
【００４４】
上記高分子誘電体フィルム３２に電圧が印加されると、図５のように高分子誘電体フィルム３２にはその垂直方向に圧縮力が適用される。この圧縮力により非圧縮性の高分子誘電体フィルム３２には膨張力が発生する。即ち、上記高分子誘電体フィルム３２は一定の体積を維持するために水平方向へ拡張される傾向を有する。しかし、上記膨張力は固定フレーム３６により制限されるので、高分子誘電体フィルム３２側へ反発力が作用する。
【００４５】
こうした作用を通して、上記高分子誘電体フィルム３２の中心部が、図６のように上部方向へ突出する変形が発生し、中心部の上下位置移動で定義される変位ｈが生じる。また、上記高分子誘電体フィルム３２は、円形の場合全ての水平方向に対して均一な力が作用するので、変形された突出部はほぼ球形となる。したがって、図６のように、変形突出部は、曲率半径ｒ、角度θで表示することができる。
【００４６】
上記変位ｈは、変形率をδaとすれば下記数式５により定義される。
【数５】
2005260236.tif 000007
ｒ（ｓｉｎθ／２）＝ｄ／２なので、これを数式５のｄに代入し、ｓｉｎ（θ／２）を２次級数展開し、これを整理すれば、θは下記数式６により定義される。
【数６】
2005260236.tif 000008
上記数式２ないし４を利用してδaを求めθを得ることができ、曲率半径ｒ=［（１＋δa）ｄ］／θなので、最終的に得ようとする変位ｈは下記数式７により定義される。
【数７】
2005260236.tif 000009
このように、本発明によれば、予ひずみが無い状態で効果的な駆動を行うことができる。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明の具体的な実施例を通して本発明の作用及び効果について、より詳しく説明する。
【００４８】
（実施例１）
本発明の高分子誘電体アクチュエータの作用と効果を調べるために、厚さ３５μｍと直径５．８ｍｍの円板型高分子誘電体薄膜を２０個準備し、軟性電極としてのカーボン粉末電極と交互に積層させることにより、積層型駆動部を製造した。ここで、積層型駆動部において各軟性電極は各々高分子誘電体フィルム間に一つずつ配され、第１または第２軟性電極が、隣接した異なる高分子誘電体フィルムの第２または第１軟性電極として提供される構造を有する。
【００４９】
上記軟性電極は、積層された電極間の絶縁のために、上記高分子誘電体薄膜の外周に沿って約０．３５ｍｍの幅を除いて形成した（図２参照、電極円形部の直径５．１ｍｍ）。
【００５０】
また、上記積層型駆動部の上面と下面には、最上部及び最下部に形成された電極を保護するために電極保護膜をさらに形成した（積層型駆動部の全体厚さは７５０μｍである）。
【００５１】
上記積層型駆動部を内部直径５．７ｍｍのリング型固定フレームに装着して、本実施例による高分子誘電体アクチュエータを製造した。上記積層型駆動部の直径は上記固定フレームの内部直径より約０．１ｍｍ大きいので、一方向へ突出した構造で装着され、その突出方向により積層型駆動部の変位方向が決まる。
【００５２】
本実施例による高分子誘電体アクチュエータを、５００Ｖから２５００Ｖまで駆動電圧を変更しながら変位量を２回に亘って測定した。上記測定結果を図７に示した。
【００５３】
図７によると、各測定結果は三角形と円形で表示され、約０．１３ないし０．４５ｍｍの変位を示した。こうした結果は、各誘電体薄膜の厚さの差または電極保護膜の影響による僅かな誤差を除けば、数式７に基づくシミュレーション結果（点線表示）とほぼ一致することが確認される。
【００５４】
また、本実施例による高分子誘電体アクチュエータの応答性能を評価した。本評価のために、周波数が１Ｈｚで２．２ｋＶの矩形波である駆動電圧を使用した。その結果を図８に示した。図８によると、２回に亘って連続した駆動電圧の印加に対して大変速い応答特性を示すことが確認される。
【００５５】
最後に、図９は、本実施例による高分子誘電体アクチュエータの電圧による出力変化を示すグラフである。２回に亘って連続した実験（各々四角形と円で表示）において、１０００Ｖ以上の駆動電圧からほぼ線形的に変化することが確認される。
【００５６】
本発明の異なる側面は、上記高分子誘電体アクチュエータを用いて３自由度運動が可能なインチワームロボットを提供する。
【００５７】
図１０は、本発明の一実施形態によるインチワームロボット４０を示す斜視図である。
【００５８】
図１０によると、上記インチワームロボット４０は、複数個のアクチュエータモジュール７０ａ〜７０ｈから成る体節駆動体７０と、上記複数個のアクチュエータモジュール７０ａ〜７０ｈを外部の埃などから保護するための外形構造５０とを含む。また、上記インチワームロボット４０は、上記複数個のアクチュエータモジュール７０ａ〜７０ｈに各々電気的に連結され駆動電圧を提供する電源供給部（図示せず）を含む。
【００５９】
図１１に示すように、上記複数個のアクチュエータモジュール７０ａ〜７０ｈ各々は、上下面を有する基板７１と、上記基板７１の両面に各々配された１２個の高分子誘電体アクチュエータ８０と、上記１２個のアクチュエータ８０に電圧を印加するために上記基板７１上に形成された回路パターン７３とを含む。
【００６０】
また、上記高分子誘電体アクチュエータ８０各々は、図２ないし図６に説明したものと類似する構造を有する。即ち、図１１のように、上記高分子誘電体アクチュエータ８０は、少なくとも一つの高分子誘電体フィルムと、その上下面に各々接続され上記回路パターン７３と各々連結された第１及び第２軟性電極を具備した積層型駆動部８５と、上記高分子誘電体フィルムに作用する予ひずみがほぼゼロとなるよう上記高分子誘電体フィルムの側面に沿って形成され、上記基板７１上に付着された固定フレーム８６とを含む。
【００６１】
このように、上記積層型駆動部８０は、駆動力の剛性を向上させるために、複数の高分子誘電体フィルムが積層された構造を有する。また、好ましくは、上記積層された高分子誘電体フィルム間に配された第１または第２軟性電極は、隣接した異なる高分子誘電体フィルムの第２または第１軟性電極として提供されるよう製造される。
【００６２】
本実施形態のように、上記アクチュエータモジュール７０ａの基板７１は円板型であることができ、この場合に、上記アクチュエータモジュール７０ａの１２個の高分子誘電体アクチュエータ８０は、より完全な３自由度運動を具現するために、上記基板７１の外周に沿って等間隔で配された３対で、その基板７１の上下面に各々配されることが好ましい。
【００６３】
しかし、本実施形態に限定されず、アクチュエータの数が異なった他の配列方式でも配することができ、基板の上下面中いずれか一面にのみ選択的に配することもできる。例えば、３つのアクチュエータを基板の一面の外周に沿って等間隔で配しても３自由度運動が可能な構造を有することができる。
【００６４】
また、図１１に示すように、上記基板７１上の回路パターン７３は、全ての高分子誘電体アクチュエータ８０の第１軟性電極に連結された共通接地パターン７３ａと、上記３対の高分子誘電体アクチュエータ８０の第２軟性電極に各々連結された３つの電源供給パターン７３ｂとから成ることができる。また、各共通支持パターン７３ａと電源供給パターン７３ｂには、上記基板７１を貫通する連結孔７５ａ、７５ｂを設けてエナメル線のような電線などの連結手段（図示せず）を通して、積層された各モジュール７０ａの該当アクチュエータ８０を同時に駆動することができ、各々を別途制御して順次駆動方式で移動能を提供することもできる。
【００６５】
上記外形構造５０は、図１０のように人体に無害で引張強度と伸び率の高いシリコンを利用して所定の３Ｄモールディング方法により製造することができる。とりわけ、本発明に用いられる外形構造５０は、アクチュエータモジュール７０の収縮、膨張運動を保障するためにモジュール間隔に合わせて皺Ａが挿入された構造とさせることが好ましい。
【００６６】
（実施例２）
本実施例においては、図１０のようなインチワームロボットを製造した。先ず、８つのアクチュエータモジュールが積層された体節駆動体を製造した。各アクチュエータモジュールは、各々実施例１において製造した１２個の高分子誘電体アクチュエータを図１１のように配して製造し、上記モジュールの直径と高さは、各々２０ｍｍ、３ｍｍに、重量は、０．４ｇとなるよう製造することができた。各モジュール間の連結は、直径１ｍｍ、高さ０．２〜０．４ｍｍ（アクチュエータ間の高さの差を調整）の絶縁体を、単位アクチュエータの頂点にシリコン樹脂で接着して作製した。
【００６７】
また、各アクチュエータモジュールのアクチュエータに電源を供給するために、直径８０μｍの４本のエナメル線（共通接地パターン１本、電源供給パターン３本）で連結した。上記体節駆動体の外形構造は、体節運動が可能なよう各モジュール間に皺が形成されたシリコン物質から厚さが１００μｍとなるよう製造した。
【００６８】
図１２のように、直径２０ｍｍで長さが４５ｍｍのインチワームロボットを製造することができた。上記インチワームロボットは、電線とパターン部位を除けば比較的軽量のシリコンまたは高分子物質から成り、総重量が４．７ｇに過ぎなかった。
【００６９】
本実施例によるインチワームロボットによる移動速度及び負荷を評価した結果、移動速度は２．５ｍｍ／ｓｅｃ、負荷は１０ｇ以上であった。
【００７０】
このように、予ひずみを排除した高分子誘電体アクチュエータの単純膨張を利用することにより、小型軽量化した新たなロボット構造を製造できるばかりでなく、チューブ形状の外部構造物を走行させるために、３自由度を有するよう設計することができる。本実施例によるインチワームロボットは、多様な形態のロボットに対して基本骨格及び駆動単位として有用である。
【００７１】
また、本発明は、一定の周波数以上において変位及び出力が減少する問題を解決した駆動回路を提供する。こうした変位及び出力減少問題は、駆動周波数が高い場合に、誘電体膜に残留した電荷によって実際アクチュエータに印加される駆動電圧が入力電圧より小さくなるため発生する。したがって、本発明はこうした問題を解決するために、アクチュエータ、即ち、誘電体膜に残留した電荷を放電するための放電回路をさらに含んだ駆動部を提供する。
【００７２】
図１３は、本発明による高分子誘電体アクチュエータに用いられる放電部を含んだ駆動回路図を示す。
【００７３】
図１３によると、高分子誘電体アクチュエータ８０に対する等価回路がＲ、Ｃで表示されている。電源供給部から印加される入力電圧Ｖiに対して、高分子誘電体アクチュエータ８０は、所定の出力電圧Ｖoを有する。放電部９０は、入力電圧を印加する信号と同調して動作するよう構成することにより、入力電圧が除去される瞬間に残留する電荷を迅速に放電して、高分子誘電体アクチュエータ８０の周波数応答特性を画期的に改善することができる。
【００７４】
本実施形態は、上記実施例２のような構造においては、上記電源供給部と並列連結されながら上記３つの電源供給パターンに各々連結された放電部９０として具現することができる。
【００７５】
図１４は、放電部を用いない高分子誘電体アクチュエータに対する周波数特性を示すグラフであり、図１５は、放電部を用いた高分子誘電体アクチュエータに対する周波数特性を示すグラフである。
【００７６】
図１４のように、放電部を用いないアクチュエータの場合には、周波数が１０Ｈｚ以上に増加すると急激に変位が減少するのに対して、図１５のように、電源供給部と並列連結された放電部をさらに構成したアクチュエータの場合には、駆動周波数が１００Ｈｚにおいても変位の減少幅が少なく、とりわけ１．０ｋＶ〜２．０ｋＶにおいては、変位変化がほぼ無いことが観察された。
【００７７】
このように、電源供給部と並列連結された放電部を用いることにより、アクチュエータの応答性能を大きく向上させることができる。
【００７８】
本発明は上述した実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付された請求範囲により限定される。したがって、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは当技術分野において通常の知識を有する者にとっては自明であるはずで、それもまた添付の請求範囲に記載された技術的思想に属するものといえるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】シリコンである高分子誘電体の電圧増加による変形率を示すグラフである。
【図２】本発明の一実施形態による高分子誘電体アクチュエータの平面図である。
【図３】本発明の一実施形態による高分子誘電体アクチュエータの側断面図である。
【図４】本発明による高分子誘電体アクチュエータの駆動原理を説明するための側断面図である。
【図５】本発明による高分子誘電体アクチュエータの駆動原理を説明するための側断面図である。
【図６】本発明による高分子誘電体アクチュエータの駆動原理を説明するための側断面図である。
【図７】本発明の実施例による高分子誘電体アクチュエータの垂直方向変位を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例による高分子誘電体アクチュエータの応答特性を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例による高分子誘電体アクチュエータの電圧による出力を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態によるインチワームロボットの分解斜視図である。
【図１１】図１０に用いられたアクチュエータモジュールの分解斜視図である。
【図１２】本発明の一実施例により製造されたインチワームロボットの写真である。
【図１３】本発明による高分子誘電体アクチュエータに用いられる放電部を含んだ駆動回路図を示す。
【図１４】放電部が用いられない高分子誘電体アクチュエータに対する周波数特性を示すグラフである。
【図１５】放電部が用いられた高分子誘電体アクチュエータに対する周波数特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８０】
２０、３０、８０  高分子誘電体アクチュエータ
２２、３２  高分子誘電体フィルム
２６、３６、８６  固定フレーム
２７ａ、２７ｂ  軟性電極
４０  インチワームロボット
５０  外形構造
７０  体節駆動体
７０ａ、７０ｂ、７０ｈ  アクチュエータモジュール
７１  基板
７３  回路パターン
７３ａ  共通接地パターン
７３ｂ  電源供給パターン
７５、７５ａ、７５ｂ  連結孔
８５  積層型駆動部
９０  放電部
ｄ  直径
ｒ  曲率半径
θ  角度
Ａ  皺
Ｖi 入力電圧
Ｖo 出力電圧
【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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