(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に伸縮可能な筒状のばね部材と、
該ばね部材の径方向外側に配置され、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る複数の電極とを有し、該電極間への印加電圧の変化に応じて該誘電膜が伸縮する筒状の誘電素子と、
該ばね部材と、該ばね部材に径方向に隣接する隣接部材と、の間に介装され、伸縮時における該ばね部材と該隣接部材との間の摩擦力を低減可能な低摩擦層と、を備え、
該隣接部材の一方は該誘電素子であり、該低摩擦層は該誘電素子の内周面に形成された樹脂被膜であり、
該ばね部材はコイルばねであり、該コイルばねの線材の表面は該低摩擦層により被覆されており、
低電圧状態においては、付勢力を蓄積した状態で該ばね部材が軸方向に収縮しており、
該低電圧状態から、該低電圧状態よりも該印加電圧が高い高電圧状態に切り替える際、該印加電圧の上昇に応じて該誘電素子が伸張することにより、該ばね部材の付勢力に従って軸方向に伸長することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記誘電素子は、第一の前記誘電膜と第一の前記電極と第二の前記誘電膜と第二の前記電極とがこの順番で積層された積層伸縮膜が、第一の該誘電膜が最内層となるように、前記ばね部材の周囲に渦巻状に巻回されてなる請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
さらに、前記誘電素子の径方向内側に配置され流体を吸排する流体室と、該流体室の軸方向一端に配置され該流体室に該流体を吸入する吸入口と、該流体室の軸方向他端に配置され該流体室から該流体を排出する排出口と、を備え、前記電極間への印加電圧を変化させて該誘電素子を伸縮させることにより、該流体室の容積を変化させて該流体を吸排する請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記流体は、導電性を有する液体であり、
前記流体室の少なくとも一部は、該流体が導通するのを抑制するための絶縁膜により区画されている請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
さらに、前記吸入口を有する吸入側キャップ部材と、前記排出口を有する排出側キャップ部材と、該吸入側キャップ部材と該排出側キャップ部材との間に介装され前記流体室の少なくとも一部を区画すると共に弾性変形可能な筒状のチューブ部材と、を備え、
前記誘電素子および前記ばね部材の軸方向両端は、該吸入側キャップ部材および該排出側キャップ部材に、各々固定されており、
前記電極間への印加電圧を変化させて該誘電素子を伸縮させることにより、該チューブ部材を伸縮させ、該流体室の容積を変化させる請求項３または請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記チューブ部材は、前記隣接部材の他方である請求項５に記載のアクチュエータ。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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の［図２Ｌ］、［図２Ｍ］、［図４Ｃ］、［図４Ｄ］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からなる誘電膜と電極とを持つ誘電素子が、圧縮されたばね部材の外周に環装されてなる。誘電素子の電極に電圧を印加すると、電極間の静電引力により誘電膜の膜厚が小さくなり、誘電膜は伸張する。これにより、ばね部材に対する拘束力が小さくなり、ばね部材、つまりアクチュエータは軸方向に伸長する。
【特許文献１】特開２００５−５２２１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載されたロール型アクチュエータの場合、誘電素子はばね部材の外周に延伸された状態で環装されている。つまり、誘電素子はばね部材に圧接されている。例えば、電極間への印加電圧を大きくすると、誘電素子はばね部材と摺接しながら伸張する。これにより、ばね部材に対する拘束力が小さくなる。よって、ばね部材は、蓄えられた付勢力により、誘電素子と摺接しながら伸長する。ここで、誘電素子とばね部材との間の摩擦力は大きい。これにより、誘電素子およびばね部材の動きが妨げられる。その結果、アクチュエータの軸方向における変位量が小さくなる。
【０００４】
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、伸縮時におけるばね部材と隣接部材との間の摩擦力を低減し、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】
【０００５】
（１）上記課題を解決するため、本発明のアクチュエータは、軸方向に伸縮可能な筒状のばね部材と、該ばね部材の径方向外側に配置され、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る複数の電極とを有し、該電極間への印加電圧の変化に応じて該誘電膜が伸縮する筒状の誘電素子と、該ばね部材と、該ばね部材に径方向に隣接する隣接部材と、の間に介装され、伸縮時における該ばね部材と該隣接部材との間の摩擦力を低減可能な低摩擦層と、を備え、低電圧状態においては、付勢力を蓄積した状態で該ばね部材が軸方向に収縮しており、該低電圧状態から、該低電圧状態よりも該印加電圧が高い高電圧状態に切り替える際、該印加電圧の上昇に応じて該誘電素子が伸張することにより、該ばね部材の付勢力に従って軸方向に伸長することを特徴とする（請求項１に対応）。
【０００６】
本発明のアクチュエータによると、ばね部材と、ばね部材に径方向に隣接する隣接部材と、の間に低摩擦層が配置されている。伸縮時に摺動するばね部材と隣接部材との間に低摩擦層が介在することにより、伸縮時におけるばね部材と隣接部材との間の摩擦力が低減される。例えば、誘電素子が、ばね部材に径方向に隣接するよう配置されている場合には、ばね部材と誘電素子との間の摩擦力が低減される。また、誘電素子が、ばね部材に径方向に隣接する他の部材を介して、ばね部材の周囲に配置されている場合には、誘電素子によりばね部材側に圧接されている当該他の部材と、ばね部材と、の間の摩擦力が低減される。このように、ばね部材と隣接部材との間の摩擦力が低減されるため、誘電素子やばね部材の動きは阻害されにくい。このため、本発明のアクチュエータの変位量は大きい。
【０００７】
（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記隣接部材は、前記誘電素子であり、前記低摩擦層は、該誘電素子の内周面に形成された樹脂被膜である構成とする方がよい（請求項２に対応）。
【０００８】
本構成において、誘電素子は、ばね部材に径方向に隣接している。つまり、誘電素子は、ばね部材の周囲に直接環装されている。誘電素子の内周面に樹脂被膜を形成することにより、誘電素子の内周面の摩擦係数は小さくなる。これにより、ばね部材に対して特別な処理を施すことなく、容易に、かつ比較的低コストで、ばね部材と誘電素子との間の摩擦力を低減することができる。また、樹脂の種類等により、摩擦係数の調整が容易である。
【０００９】
（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記誘電素子は、第一の前記誘電膜と第一の前記電極と第二の前記誘電膜と第二の前記電極とがこの順番で積層された積層伸縮膜が、第一の該誘電膜が最内層となるように、前記ばね部材の周囲に渦巻状に巻回されてなる構成とする方がよい（請求項３に対応）。
【００１０】
本構成によると、積層伸縮膜を渦巻状に巻回することにより、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、誘電膜の積層化が容易である。誘電膜を多数積層することにより、より大きな駆動力を出力することができる。また、積層伸縮膜の巻回数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。本構成によると、積層伸縮膜を巻回するだけで、容易に、電極と誘電膜とを交互に積層することができる。これにより、積層された誘電膜各々の伸縮を、効率よく行うことができる。また、第一の誘電膜が最内層となるよう巻回される。このため、例えば、第一の誘電膜の表面に樹脂被膜を形成する等により、誘電素子の内周面に低摩擦層を容易に形成することができる。
【００１１】
（４）好ましくは、上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、さらに、前記誘電素子の径方向内側に配置され流体を吸排する流体室と、該流体室の軸方向一端に配置され該流体室に該流体を吸入する吸入口と、該流体室の軸方向他端に配置され該流体室から該流体を排出する排出口と、を備え、前記電極間への印加電圧を変化させて該誘電素子を伸縮させることにより、該流体室の容積を変化させて該流体を吸排する構成とする方がよい（請求項４に対応）。
【００１２】
本構成は、気体や液体等の流体を吸排するポンプとして、本発明のアクチュエータを用いるものである。本構成によると、誘電素子の伸縮により、流体室の容積が変化する。前述したように、低摩擦層により、ばね部材と隣接部材との間の摩擦力が低減される。よって、誘電素子やばね部材の動きが阻害されにくい。したがって、本構成によると、流体室の容積変化量が大きい、換言すれば、流体の単位時間あたりの流量が大きいポンプを構成することができる。
【００１３】
（５）好ましくは、上記（４）の構成において、前記流体は、導電性を有する液体であり、前記流体室の少なくとも一部は、該流体が導通するのを抑制するための絶縁膜により区画されている構成とする方がよい（請求項５に対応）。
【００１４】
流体が導電性を有する液体の場合、電極間に電圧を印加する際に、流体が導通するおそれがある。この点、本構成によると、流体室の少なくとも一部は絶縁膜により区画されている。このため、流体が導通するのを抑制することができる。
【００１５】
（６）好ましくは、上記（４）または（５）の構成において、さらに、前記吸入口を有する吸入側キャップ部材と、前記排出口を有する排出側キャップ部材と、該吸入側キャップ部材と該排出側キャップ部材との間に介装され前記流体室の少なくとも一部を区画すると共に弾性変形可能な筒状のチューブ部材と、を備え、前記誘電素子および前記ばね部材の軸方向両端は、該吸入側キャップ部材および該排出側キャップ部材に、各々固定されており、前記電極間への印加電圧を変化させて該誘電素子を伸縮させることにより、該チューブ部材を伸縮させ、該流体室の容積を変化させる構成とする方がよい（請求項６に対応）。
【００１６】
本構成によると、本発明のアクチュエータを、流体を吸排するポンプとして実施しやすい。また、誘電素子およびばね部材の軸方向両端は、吸入側キャップ部材および排出側キャップ部材に、各々固定されている。このため、誘電素子が収縮する際に、吸入側キャップ部材および排出側キャップ部材から、ばね部材の軸方向両端に圧縮力が加わり、ばね部材の収縮が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明のアクチュエータの実施の形態について説明する。以下に示す実施形態は、本発明のアクチュエータをポンプとして具現化したものである。
【００１８】
＜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１に、本実施形態のアクチュエータの斜視図を示す。図２に、同アクチュエータの斜視分解図を示す。図３に、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向断面図を示す。図４（ａ）に、図１のＩＶ−ＩＶ方向断面図を示す。図４（ｂ）に、同アクチュエータの伸長状態における軸方向断面図を示す。なお、図１〜図３、図４（ａ）は、同アクチュエータの低電圧状態を示してる。一方、図４（ｂ）は、同アクチュエータの高電圧状態を示している。また、図２においては、締結リング部材を省略して示す。
【００１９】
図１〜図４に示すように、本実施形態のアクチュエータ１は、誘電素子２と、コイルばね３と、樹脂被膜４と、吸入側キャップ部材５と、排出側キャップ部材６と、チューブ部材７と、一対の締結リング部材８０、８１と、を備えている。コイルばね３は、本発明のばね部材に含まれる。
【００２０】
アクチュエータ１は、図４に示すように、逆止弁９０、９１の間に介装されている。逆止弁９０、９１は、左側から右側に流体を流す方向にだけ、開弁可能である。すなわち、左側が上流、右側が下流側である。
【００２１】
吸入側キャップ部材５は、アクリル樹脂製であって、左右方向に延在する円筒状を呈している。すなわち、吸入側キャップ部材５には、左右方向に貫通する連通孔が穿設されている。吸入側キャップ部材５は、隔壁部５０と継手部５１とばね保持部５２とを備えている。
【００２２】
隔壁部５０は、吸入側キャップ部材５の軸方向略中央に配置されている。隔壁部５０は、径方向外側に広がるフランジ状を呈している。隔壁部５０の外周縁には、リング保持溝５００が周設されている。
【００２３】
継手部５１は、隔壁部５０の左側に配置されている。継手部５１は、短軸円筒状を呈している。継手部５１には、チューブ（図略）を介して、上流側の逆止弁９０が接続されている。継手部５１の左端には、吸入口５１０が配置されている。
【００２４】
ばね保持部５２は、隔壁部５０の右側に配置されている。ばね保持部５２は、短軸円筒状を呈している。ばね保持部５２の外周面には、凹凸形状が付されている。
【００２５】
排出側キャップ部材６は、アクリル樹脂製であって、左右方向に延在する円筒状を呈している。すなわち、排出側キャップ部材６には、左右方向に貫通する連通孔が穿設されている。排出側キャップ部材６は、吸入側キャップ部材５と、所定間隔だけ離間して、左右方向に対向している。排出側キャップ部材６は、隔壁部６０と継手部６１とばね保持部６２とを備えている。
【００２６】
隔壁部６０は、排出側キャップ部材６の軸方向略中央に配置されている。隔壁部６０は、径方向外側に広がるフランジ状を呈している。隔壁部６０の外周縁には、リング保持溝６００が周設されている。
【００２７】
継手部６１は、隔壁部６０の右側に配置されている。継手部６１は、短軸円筒状を呈している。継手部６１には、チューブ（図略）を介して、下流側の逆止弁９１が接続されている。継手部６１の右端には、排出口６１０が配置されている。
【００２８】
ばね保持部６２は、隔壁部６０の左側に配置されている。ばね保持部６２は、短軸円筒状を呈している。ばね保持部６２の外周面には、凹凸形状が付されている。排出側キャップ部材６のばね保持部６２は、吸入側キャップ部材５のばね保持部５２と、所定間隔だけ離間して、左右方向に対向している。
【００２９】
チューブ部材７は、アクリルゴム製であって、左右方向に延在する円筒状を呈している。チューブ部材７は、本発明の絶縁膜を兼ねている。チューブ部材７は、吸入側キャップ部材５と排出側キャップ部材６との間に介装されている。チューブ部材７の左端開口には、吸入側キャップ部材５のばね保持部５２が挿入されている。同様に、チューブ部材７の右端開口には、排出側キャップ部材６のばね保持部６２が挿入されている。吸入側キャップ部材５の連通孔とチューブ部材７の内部空間と排出側キャップ部材６の連通孔とは、この順番で左右方向に連なっている。これら、吸入側キャップ部材５の連通孔とチューブ部材７の内部空間と排出側キャップ部材６の連通孔とにより、左右方向に長い流体室Ｒが形成されている。
【００３０】
コイルばね３は、鋼製であって、左右方向に延在する円筒状を呈している。コイルばね３は、吸入側キャップ部材５と排出側キャップ部材６との間に介装されている。コイルばね３は、チューブ部材７の径方向外側に配置されている。コイルばね３の左端は、チューブ部材７の左端の径方向外側から、吸入側キャップ部材５のばね保持部５２に外嵌されている。前述したように、ばね保持部５２の外周面には、凹凸形状が付されている。当該凹凸形状にコイルばね３のピッチが引っ掛かることにより、チューブ部材７およびコイルばね３の左端が、ばね保持部５２から脱落するのを抑制している。同様に、コイルばね３の右端は、チューブ部材７の右端の径方向外側から、排出側キャップ部材６のばね保持部６２に外嵌されている。前述したように、ばね保持部６２の外周面には、凹凸形状が付されている。当該凹凸形状にコイルばね３のピッチが引っ掛かることにより、チューブ部材７およびコイルばね３の右端が、ばね保持部６２から脱落するのを抑制している。
【００３１】
誘電素子２は、左右方向に延在する円筒状を呈している。誘電素子２は、吸入側キャップ部材５と排出側キャップ部材６との間に介装されている。誘電素子２は、コイルばね３の径方向外側に配置されている。誘電素子２は、コイルばね３の隣接部材である。誘電素子２の左端開口は、吸入側キャップ部材５の隔壁部５０により、塞がれている。締結リング部材８０は、誘電素子２左端が隔壁部５０の外周縁を覆ったその径方向外側から、リング保持溝５００に外嵌されている。すなわち、締結リング部材８０により、誘電素子２左端と吸入側キャップ部材５とが接続されている。同様に、誘電素子２の右端開口は、排出側キャップ部材６の隔壁部６０により、塞がれている。締結リング部材８１は、誘電素子２右端が隔壁部６０の外周縁を覆ったその径方向外側から、リング保持溝６００に外嵌されている。すなわち、締結リング部材８１により、誘電素子２右端と排出側キャップ部材６とが接続されている。
【００３２】
［誘電素子および樹脂被膜の構成］
次に、誘電素子２および樹脂被膜４の構成について説明する。誘電素子２は、図３に肉厚を強調して示すように、三層構造の帯状の積層伸縮膜２ａが、吸入側キャップ部材５の隔壁部５０の外周縁および排出側キャップ部材６の隔壁部６０の外周縁に、巻回されることにより、形成されている。積層伸縮膜２ａの積層構造は、第一の誘電膜２０と、第一の電極２１と、第二の誘電膜２２と、第二の電極２３と、がこの順番で積層されることにより、形成されている。誘電膜２０、２２は、アクリルゴム製である。また、電極２１、２３は、共に、カーボンブラックとバインダーのエラストマーとを混合したペーストを塗布して形成されている。第一の誘電膜２０は最内層を、第二の電極２３は最外層を、それぞれ構成している。誘電素子２は、当該積層伸縮膜２ａが三回巻回された円筒状を呈している。
【００３３】
樹脂被膜４は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の粉末をバインダーに分散させた塗料から形成されている。樹脂被膜４は、積層伸縮膜２ａの最内層の内周面、つまり誘電素子２の内周面に形成されている。このため、樹脂被膜４は、誘電素子２の内周面と、コイルばね３の外周面と、の間に介在している。
【００３４】
［アクチュエータの組付方法］
次に、本実施形態のアクチュエータ１の組付方法について説明する。まず、吸入側キャップ部材５と排出側キャップ部材６とを作製する。次に、吸入側キャップ部材５と排出側キャップ部材６との間に、チューブ部材７と、コイルばね３と、樹脂被膜４が内周面に塗布された誘電素子２とを、径方向内側から外側に向かってこの順番で介装する。この際、コイルばね３は、自然状態に対して、軸方向（左右方向）に圧縮された状態で配置される。コイルばね３の伸長は、誘電素子２により規制されている。このため、コイルばね３には、左右方向に伸長する付勢力が蓄積されている。このようにして、本実施形態のアクチュエータ１は組み付けられる。組み付けられたアクチュエータ１は、逆止弁９０、９１の間に介装される。
【００３５】
［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。本実施形態のアクチュエータ１は、低電圧状態と高電圧状態とを繰り返し切り替えることにより、流体室Ｒの容積を左右方向に変化させ、流体を左側から右側に圧送している。
【００３６】
低電圧状態においては、電極２１、２３間に電圧が印加されない。このため、電極２１、２３間に静電引力が発生しない。コイルばね３には、左右方向に伸長する付勢力が蓄積されている。
【００３７】
低電圧状態から高電圧状態に切り替えると、電極２１、２３間に所定の電圧が印加される。このため、電極２１、２３間に静電引力が発生する。電極２１、２３間に、静電引力が発生すると、電極２１、２３間に介在する誘電膜２０、２２が、膜厚方向から圧縮されると共に、膜展開方向に伸張する。すなわち、誘電膜２０、２２つまり誘電素子２が弛む。このため、コイルばね３に対する規制が解除される。したがって、図４（ｂ）に示すように、コイルばね３は、自身が蓄積していた付勢力により、誘電素子２の弛みが無くなるまで、左右方向に伸長する。また、当該付勢力により、チューブ部材７も左右方向に伸長する。このため、チューブ部材７の内部に区画されている流体室Ｒの容積は、低電圧状態（図４（ａ）参照）に対して、ΔＶだけ大きくなる。流体室Ｒの容積がΔＶだけ大きくなると、その分だけ流体室Ｒに流体が流入しようとする。このため、左側（上流側）の逆止弁９０が開弁する。したがって、流体室Ｒに、吸入口５１０を介して、上流側から流体が流れ込む。なお、下流側の逆止弁９１は、右側（下流側）から左側への流体の移動を禁止している。このため、下流側の逆止弁９１は、閉弁したままである。
【００３８】
再び、高電圧状態から低電圧状態に切り替えると、電極２１、２３間の印加電圧が解除される。このため、電極２１、２３間の静電引力が無くなる。電極２１、２３間の静電引力が無くなると、誘電膜２０、２２が、自身の有する弾性復元力により、膜展開方向から収縮する。このため、コイルばね３の付勢力に抗しながら、誘電素子２が左右方向から収縮する。並びに、チューブ部材７も左右方向から収縮する。したがって、チューブ部材７の内部に区画されている流体室Ｒの容積は、高電圧状態（図４（ｂ）参照）に対して、ΔＶだけ小さくなる。流体室Ｒの容積がΔＶだけ小さくなると、その分だけ流体室Ｒから流体が流出しようとする。このため、右側（下流側）の逆止弁９１が開弁する。したがって、流体室Ｒから、排出口６１０を介して、下流側に流体が送り出される。なお、上流側の逆止弁９０は、右側（下流側）から左側への流体の移動を禁止している。このため、上流側の逆止弁９０は、閉弁したままである。
【００３９】
以上説明したように、低電圧状態と高電圧状態とを交互に繰り返すことにより、本実施形態のアクチュエータ１は、流体室Ｒの容積を左右方向に変化させ、流体を左側から右側に圧送している。
【００４０】
［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において、誘電素子２は、コイルばね３と径方向に隣接している。誘電素子２の内周面には樹脂被膜４（低摩擦層）が形成されている。つまり、コイルばね３と誘電素子２との間には低摩擦層が配置されている。これにより、コイルばね３と誘電素子２との間の摩擦力が低減される。したがって、誘電素子２やコイルばね３の動きが阻害されにくく、アクチュエータ１の変位量は大きい。すなわち、流体室Ｒの容積変化量が大きいため、吐出量の大きなポンプを構成することができる。
【００４１】
また、誘電素子２は、積層伸縮膜２ａを巻回して形成されている。よって、容易に、電極２１、２３と誘電膜２０、２２とを交互に積層することができる。これにより、積層された誘電膜２０、２２の伸縮を、効率よく行うことができる。また、積層伸縮膜２ａの巻回数を調整することにより、所望の駆動力、変位量を得ることができる。例えば、さらに多くの誘電膜を積層することにより、より大きな駆動力を出力することができる。
【００４２】
また、流体室Ｒの一部がチューブ部材７により区画されている。チューブ部材７は、アクリルゴム製の絶縁膜からなる。よって、流体が水等の導電性を有する液体であっても、導通するのを抑制することができる。
【００４３】
また、誘電素子２およびコイルばね３の軸方向両端は、吸入側キャップ部材５および排出側キャップ部材６に、各々固定されている。このため、誘電素子２が収縮する際に、吸入側キャップ部材５および排出側キャップ部材６から、コイルばね３の軸方向両端に圧縮力が加わり、コイルばね３の収縮が容易になる。
【００４４】
＜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、チューブ部材内部にコイルばねが収容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。
【００４５】
図５に、本実施形態のアクチュエータの径方向断面図を示す。なお、図３と対応する部位については、同じ符号で示す。図５に示すように、本実施形態のアクチュエータ１は、径方向内側から外側に向かって、ばね保持部５２、コイルばね３、低摩擦層４０、チューブ部材７、誘電素子２を備えている。すなわち、ばね保持部５２、コイルばね３、低摩擦層４０は、チューブ部材７の内部に配置されている。このため、ばね保持部５２、コイルばね３、低摩擦層４０は、流体に浸漬している。低摩擦層４０は、ＰＴＦＥの粉末をバインダーに分散させた塗料から形成された樹脂被膜である。低摩擦層４０は、チューブ部材７の内周面に形成されている。低摩擦層４０により、コイルばね３とチューブ部材７とが隔離されている。チューブ部材７は、コイルばね３の隣接部材である。
【００４６】
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ついては、第一実施形態のアクチュエータ１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によると、コイルばね３とチューブ部材７との間に、低摩擦層４０が介在している。このため、コイルばね３とチューブ部材７との間の摩擦力が低減される。また、コイルばね３が伸縮する際に、コイルばね３とチューブ部材７とが干渉するのを抑制することができる。
【００４７】
＜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、コイルばねの線材が低摩擦層により被覆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。
【００４８】
図６に、本実施形態のアクチュエータのコイルばねの線材の径方向断面図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図６に示すように、コイルばね３を形成する線材３０の表面は、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜からなる低摩擦層４１により被覆されている。
【００４９】
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ついては、第一実施形態のアクチュエータ１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によると、低摩擦層４１がコイルばね３の線材３０自体に配置されている。このため、前出図３を援用して示すように、コイルばね３外周面と誘電素子２内周面との間のみならず、コイルばね３内周面とチューブ部材７外周面との間にも、低摩擦層４１を介在させることができる。このため、コイルばね３が伸縮する際に、コイルばね３と、誘電素子２およびチューブ部材７とが、干渉するのを抑制することができる。
【００５０】
＜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。
【００５１】
例えば、低摩擦層は、ばね部材と、該ばね部材に径方向に隣接する隣接部材と、の間に介装されていればよい。ここで、隣接部材には、誘電素子の他、誘電素子の径方向内側を流れる流体が導通するのを抑制するための絶縁膜等が含まれる。したがって、ばね部材の外周面や隣接部材の内周面に、低摩擦層を形成するとよい。あるいは、ばね部材と隣接部材との間に別部材を配置して低摩擦層としてもよい。
【００５２】
上記第一実施形態では、低摩擦層として、誘電素子の内周面にＰＴＦＥ粉末を含む塗料を塗布して樹脂被膜を形成した。ここで、樹脂被膜の材質や形成方法は、特に限定されるものではない。例えば、上記ＰＴＦＥを含むフッ素樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等の粉末を付着させて、あるいはこれらの樹脂成分を含むペースト、塗料等を塗布して、樹脂被膜を形成することができる。また、低摩擦層は、上記樹脂被膜に限定されるものではなく、種々の態様を採用することができる。例えば、ばね部材や隣接部材の所定の表面に、二硫化モリブデン、グラファイト、窒化ホウ素等の固体潤滑剤を含む被膜を形成してもよい。また、上記第三実施形態のように、ＤＬＣ膜と呼ばれる非晶質硬質炭素膜を形成してもよい。また、グリースやオイルを塗布してもよい。また、所定の表面を化学的に処理してもよい。また、表面の摩擦係数が小さく、かつ伸縮性を有するフィルムを、ばね部材と隣接部材との間に介在させてもよい。
【００５３】
上記実施形態では、誘電膜が二層積層された積層伸縮膜を、ばね部材の周囲に渦巻状に三回巻回して誘電素子を構成した。しかし、誘電素子の構成は、これに限定されるものではない。例えば、一対の電極間に介在されている誘電膜と、該電極の一方の表面に配置され径方向に隣接する電極間における導通を抑制する絶縁膜と、を有する絶縁膜付き伸縮膜を、ばね部材の周囲に巻回してもよい。また、ばね部材の周囲に、誘電膜と電極とを交互に同心円状に積層してもよい。いずれの場合においても、積層伸縮膜や絶縁膜付き伸縮膜の巻回数、誘電膜の積層数は限定されない。
【００５４】
上記実施形態では、積層伸縮膜を、第一の誘電膜を内側にして巻回した。この場合、誘電素子の最外層は電極となる。よって、必要に応じて、最外層の表面に、伸縮性を有する絶縁カバーを配置してもよい。こうすると、安全性、意匠性が向上する。また、第一の誘電膜を外側にして巻回してもよい。この場合は、誘電素子の最外層が誘電膜となる。よって、最外層の表面にさらに電極を配置してもよい。こうすると、最外層の誘電膜も伸縮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。
【００５５】
上記実施形態では、アクリルゴム製のチューブ部材（絶縁膜）により流体室を区画した。導電性を有する液体を吸排する場合、流体室を区画するチューブ部材の材質は、流体と電極間の導通を抑制し、弾性変形可能なものが望ましい。上記アクリルゴムの他、例えば、シリコーンゴム、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）、水素化アクリルニトリル−ブタジエン共重合ゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、ヒドリン系ゴム、クロロプレンゴム（ＣＲ）、フッ素ゴム、ウレタンゴム等が好適である。
【００５６】
上記実施形態では、ばね部材としてコイルばねを使用した。ばね部材と隣接部材との間の摩擦力を低減するという観点から、コイルばねと隣接部材との接触面積は、できるだけ小さい方が望ましい。例えば、線径が細く、ピッチが広いコイルばねが好適である。また、ばね部材は、軸方向の付勢力を蓄積できる筒状のものであれば、その種類が特に限定されるものではない。例えば、ベローズばねを使用してもよい。
【００５７】
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、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、エチレン−プロピレンゴム、天然ゴム（ＮＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、アクリルニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）、水素化アクリルニトリル−ブタジエン共重合ゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、ヒドリン系ゴム、クロロプレンゴム（ＣＲ）、フッ素ゴム、ウレタンゴム等が挙げられる。また、誘電膜の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。
【００５８】
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または金属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）、水素化アクリルニトリル−ブタジエン共重合ゴム（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。
【００５９】
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。また、流体としては、水、オイル、燃料、冷却液等、種々の液体を用いることができる。また、気体を用いてもよい。
【実施例】
【００６０】
本発明のアクチュエータを評価するため、上記第二実施形態のアクチュエータ（以下、「実施例のアクチュエータ」と称す）について、印加電圧に対する変位量を測定した。また、比較のため、コイルばねとチューブ部材との間に低摩擦層（樹脂被膜）を介在させない点以外は、実施例のアクチュエータと同様のアクチュエータ（以下「比較例のアクチュエータ」と称す）を作製した。比較例のアクチュエータについても同様に、印加電圧に対する変位量を測定した。
【００６１】
図７に、実施例および比較例の各アクチュエータにおける印加電圧と変位量との関係を示す。いずれのアクチュエータにおいても、軸方向に伸長した長さを変位量とした。なお、図７の縦軸は、変位量を基準値ａの倍数で示している。図７のグラフに示すように、低摩擦層を備える実施例のアクチュエータの方が、低摩擦層のない比較例のアクチュエータと比較して、変位量が大きくなった。このように、本発明のアクチュエータは、低摩擦層により、ばね部材と隣接部材との間の摩擦力が低減されて、変位量が大きいことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のアクチュエータは、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】
【００６３】
【図１】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２】同アクチュエータの斜視分解図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向断面図である。
【図４】（ａ）は図１のＩＶ−ＩＶ方向断面図である。（ｂ）は同アクチュエータの伸長状態における軸方向断面図である。
【図５】本発明の第二実施形態のアクチュエータの径方向断面図である。
【図６】本発明の第三実施形態のアクチュエータのコイルばねの線材の径方向断面図である。
【図７】実施例および比較例の各アクチュエータにおける印加電圧と変位量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１：アクチュエータ
２：誘電素子  ２ａ：積層伸縮膜
２０：第一の誘電膜  ２１：第一の電極  ２２：第二の誘電膜  ２３：第二の電極
３：コイルばね（ばね部材）  ３０：線材
４：樹脂被膜  ４０：低摩擦層  ４１：低摩擦層
５：吸入側キャップ部材  ５０：隔壁部  ５００：リング保持溝
５１：継手部  ５１０：吸入口  ５２：保持部
６：排出側キャップ部材  ６０：隔壁部  ６００：リング保持溝
６１：継手部  ６１０：排出口  ６２：保持部
７：チューブ部材  ８０、８１：締結リング部材  ９０、９１：逆止弁
Ｒ：流体室
【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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