(57)【要約】【課題】誘電アクチュエータは、誘電材料の表面に設けた可撓性比の大きい電極材料により異方性を発現させているので、電極材料近傍の誘電材料は、電極材料に変形が拘束されて異方性が発現するが、誘電材料内部の誘電材料においては、電極材料に変形が拘束されず、変形の異方性が発現しないという課題があった。【解決手段】異方性エラストマーであって、電圧を印加することによって変形されるエラストマーと、エラストマーよりも弾性率が高い異方形状の物質とを含み、異方形状の物質は、一方向に沿って延び、かつ、前記一方向に交差する他方向に並んでエラストマーの内部に配置されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性を有し、電圧を印加することにより変形させられる第１の物質と、
前記第１の物質よりも弾性率が高い第２の物質と、
を含み、
前記第２の物質は、一方向に沿って延び、かつ、前記一方向に交差する他方向に並んで前記第１の物質の内部に配置されており、
外力を受けて前記第１の物質が変形する場合に、前記第２の物質に前記変形が抑制されることによって、変形の異方性が発現する異方性エラストマー。
【請求項２】
前記第１の物質の比誘電率は２〜８である、
請求項１に記載の異方性エラストマー。
【請求項３】
前記第２の物質は、前記第１の物質と相分離し、少なくとも一部分において、前記第１の物質とブロック共重合体を構成する樹脂である請求項１または２に記載の異方性エラストマー。
【請求項４】
前記第１の物質の比誘電率が、前記第２の物質の比誘電率以下である請求項３に記載の異方性エラストマー。
【請求項５】
前記第１の物質および前記第２の物質は、前記一方向に延伸された後に、アニール処理される請求項４に記載の異方性エラストマー。
【請求項６】
前記アニール処理の温度は、前記樹脂のガラス転移温度より高い温度であって、前記第１の物質の融点よりも低い温度である請求項５に記載の異方性エラストマー。
【請求項７】
前記樹脂は、結晶性を有する請求項３から６の何れか１項に記載の異方性エラストマー。
【請求項８】
前記第１の物質は、エラストマーであり、前記第２の物質は、前記一方向に沿って配向された異方性フィラーである請求項１から７のいずれか１項に記載の異方性エラストマー。
【請求項９】
前記異方性フィラーは、金属繊維、ガラス繊維および樹脂繊維の少なくとも１つを含む請求項８に記載の異方性エラストマー。
【請求項１０】
前記異方性フィラーは、アラミド繊維である請求項９に記載の異方性エラストマー。
【請求項１１】
請求項１から１０の何れか１項に記載の異方性エラストマーと、
前記異方性エラストマーに電圧を印加する電極と、
を含み、
前記電極による電圧の印加方向は、前記一方向と、前記他方向に交差する方向である誘電エラストマーアクチュエータ。
【請求項１２】
身体の動作を補助する補助用具であって、
身体に取り付ける装着部と、
請求項１１に記載の誘電エラストマーアクチュエータと、
前記誘電エラストマーアクチュエータを前記装着部に取り付ける取付け部と、
を備える補助用具。
【請求項１３】
弾性を有し、電圧を印加することにより変形させられる第１の物質と、
前記第１の物質よりも弾性率の高い第２の物質と、
を含み、
前記第１の物質および前記第２の物質とを一方向に延伸する段階と、
前記第１の物質および前記第２の物質とをアニール処理する段階と、
を含む、異方性エラストマーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異方性エラストマー、誘電エラストマーアクチュエータ、補助用具、および異方性エラストマーの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電材料と、誘電材料よりも高い弾性率を有し、誘電材料の表面に設けられた電極材料を波型形状に形成した誘電アクチュエータが知られている。当該誘電アクチュエータは、表面の電極材料を波形形状に形成することによって、電極材料を含む誘電材料が撓む方向と、ほとんど撓まない方向との可撓性比を大きくして、変形の異方性を発現させている。
特許文献１  特開２００８―１１８８５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記誘電アクチュエータは、誘電材料の表面に設けた可撓性比の大きい電極材料により異方性を発現させているので、電極材料近傍の誘電材料は、電極材料に変形が拘束されて異方性が発現するが、誘電材料内部においては、電極材料に変形が拘束されず、変形の異方性が発現しないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、弾性を有し、電圧を印加することにより変形させられる第１の物質と第１の物質よりも弾性率が高い第２の物質とを含み、第２の物質は、一方向に沿って延び、かつ、当該一方向に交差する他方向に並んで第１の物質の内部に配置されており、外力を受けて第１の物質が変形する場合に、第２の物質に前記変形が抑制されることによって、変形の異方性が発現する異方性エラストマーを提供する。
【０００５】
本発明の第２の態様においては、第１の態様に係る異方性エラストマーと異方性エラストマーに電圧を印加する電極とを含み、電極による電圧の印加方向は、一方向と、他方向に交差する方向である誘電エラストマーアクチュエータを提供する。
【０００６】
本発明の第３の態様においては、身体の動作を補助する補助用具であって、身体に取り付ける装着部と、第２の態様に係る誘電エラストマーアクチュエータと、誘電エラストマーアクチュエータを前記装着部に取り付ける取付け部とを備える補助用具を提供する。
【０００７】
本発明の第４の態様においては、弾性を有し、電圧を印加することにより変形させられる第１の物質と第１の物質よりも弾性率の高い第２の物質とを含み、第１の物質および第２の物質とを一方向に延伸する段階と、第１の物質および第２の物質とをアニール処理する段階とを含む、異方性エラストマーの製造方法を提供する。
【０００８】
本発明の第５の態様における異方性エラストマーは、電圧を印加することによって変形されるエラストマーと、エラストマーよりも弾性率が高い異方形状の物質とを含み、電圧を印加することによって変形されるエラストマーの比誘電率が、エラストマーよりも弾性率が高い異方形状の物質の比誘電率以下であることを特徴とする。
【０００９】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】誘電エラストマーアクチュエータ１１０の概略断面図である。
【図２】誘電エラストマーアクチュエータ１１０の概略断面図である。
【図３】（ａ）等方性エラストマー１５０の変形前の状態を示す斜視図である。（ｂ）等方性エラストマー１５０の変形後の状態を示す斜視図である。
【図４】（ａ）異方性エラストマー１５２の変形前の状態を示す斜視図である。（ｂ）異方性エラストマー１５２の変形後の状態を示す斜視図である。
【図５】（ａ）異方性エラストマー１７０の変形前の状態を示す斜視図である。（ｂ）異方性エラストマー１７０の変形後の状態を示す斜視図である。
【図６】（ａ）他の異方性エラストマー１８０の変形前の状態を示す断面図である。（ｂ）他の異方性エラストマー１８０の変形後の状態を示す断面図である。
【図７】（ａ）他の異方性エラストマー１８４の変形前の状態を示す断面図である。（ｂ）他の異方性エラストマー１８４の変形後の状態を示す断面図である。
【図８】一方向に延伸した後にアニール処理した第１ブロック共重合体の断面ＴＥＭ写真である。
【図９】第１ブロック共重合体の変位と引張力との関係を示すグラフである。
【図１０】補助用具１０を装着したユーザの正面図である。
【図１１】補助用具１０を装着したユーザの背面図である。
【図１２】補助用具１０の制御系を説明するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１２】
電気的にコントロール可能な誘電エラストマーアクチュエータは、エラストマーの弾性を利用したソフトアクチュエータとして、人工筋肉への応用が期待されている。図１は、誘電エラストマーアクチュエータ１１０の概略断面図である。図１は、誘電エラストマーアクチュエータ１１０に電圧が印加されていない状態を示す。ここで、エラストマーとは、常温付近でゴム弾性を有する高分子材料をいい、誘電エラストマーとは、誘電性を有する高分子材料から構成されるエラストマーをいう。
【００１３】
誘電エラストマーアクチュエータ１１０は、電源１２０と、スイッチ１３０と、電源１２０の正極および負極にそれぞれ接続された一対の電極１２２、１２４と、当該一対の電極１２２、１２４に挟まれた誘電性を有するエラストマー１２６と、を有する。スイッチ１３０は制御部１３２からの制御信号により開閉する。電源１２０の電圧も制御部１３２からの制御信号により可変である。
【００１４】
図２は、誘電エラストマーアクチュエータ１１０の概略断面図である。図２は、当該誘電エラストマーアクチュエータ１１０に電圧が印加された状態を示す。
【００１５】
図２に示すように、制御部１３２からの制御信号に基づいて、スイッチ１３０が閉じられることにより一対の電極１２２、１２４間に電圧が印加されると、エラストマー１２６は電極間が近づく方向に短縮するとともに、その体積分が、電圧印加方向に直交する方向、すなわち図中の水平方向に伸長する。電源１２０の印加電圧が大きいほど水平方向の伸長量は大きくなる。
【００１６】
また、エラストマー１２６に同じ大きさの電圧を印加したとすると、エラストマー１２６の比誘電率が高いほど水平方向の伸長量は大きくなる。したがって、誘電エラストマーアクチュエータ１１０に用いられるエラストマー１２６は、高い比誘電率を有することが好ましい。
【００１７】
また、エラストマー１２６に同じ大きさの電圧を印加したとすると、エラストマー１２６の弾性率が低いほど水平方向に対する伸長量は大きい。したがって、誘電エラストマーアクチュエータ１１０に用いられるエラストマー１２６は、低い弾性率を有することが好ましい。
【００１８】
次に、エラストマーの異方性について説明する。図３（ａ）は、等方性エラストマー１５０の変形前の状態を示す斜視図である。図３（ａ）、図３（ｂ）において、左上に矢印で示すＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を等方性エラストマー１５０のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向とする。図３（ａ）に示したように、Ｚ軸方向から等方性エラストマー１５０を圧縮するように応力１６０と、応力１６２とが加えられる。すると、等方性エラストマー１５０が圧縮され、Ｚ軸方向の体積が減少する。一方、Ｚ軸方向の体積が減少した分、等方性エラストマー１５０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に実質的に同じ長さだけ伸長する。
【００１９】
図３（ｂ）は、等方性エラストマー１５０の変形後の状態を示す斜視図である。Ｘ軸方向のひずみ量をεＸ、Ｙ軸方向のひずみ量をεＹとすると、等方性エラストマー１５０は、図３（ｂ）に示したようにεＸとεＹが実質的に等しくなるように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に伸長する。すなわち、等方性エラストマーとは、Ｚ軸方向の体積の減少に対して、εＸおよびεＹが同じ値となるエラストマーをいう。なお、ひずみ量εとは、応力が与えられていない自然長の寸法をＬ０、応力が与えられて伸長した後の寸法をＬ１とすると以下の関係式（１）で算出される値である。
【００２０】
ε＝（Ｌ１−Ｌ０）／Ｌ０×１００・・・（１）
【００２１】
図４（ａ）は、異方性エラストマー１５２の変形前の状態を示す斜視図である。図４（ａ）、図４（ｂ）において、左上に矢印で示すＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を異方性エラストマー１５２のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向とする。図４（ａ）に示したように、Ｚ軸方向から異方性エラストマー１５２を圧縮するように応力１６０と、Ｚ応力１６２とが加えられる。すると、異方性エラストマー１５２が圧縮され、Ｚ軸方向の体積が減少する。一方、Ｚ軸方向の減少した体積に応じて、異方性エラストマー１５２は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に伸長する。
【００２２】
図４（ｂ）は、異方性エラストマー１５２の変形後の状態を示す斜視図である。異方性エラストマー１５２は、図４（ｂ）に示したように、εＸとεＹが異なるように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に伸長する。なお、図４（ｂ）においては、εＸが大きい例を示している。異方性ラストマーとは、このように、Ｚ軸方向の体積の減少に対して、ひずみ量εＸおよびεＹが異なる値となるエラストマーをいう。
【００２３】
誘電エラストマーアクチュエータ１１０において、Ｘ軸方向に沿った出力を利用して、Ｙ軸方向に沿った出力を利用しない場合、Ｙ軸方向に沿った出力を減らして、Ｘ軸方向に沿った出力を大きくすることで、誘電エラストマーアクチュエータ１１０の出力を高められる。Ｘ軸方向の出力のみを使用して、Ｙ軸方向の出力を使用しない場合には、誘電エラストマーアクチュエータ１１０に使用するエラストマー１２６としては、図４（ａ）、図４（ｂ）に示したような、一方向であるＸ軸方向に大きく伸長して、一方向に交差する他方向であるＹ軸方向には小さく伸長する異方性エラストマーを用いることが好ましい。
【００２４】
図５（ａ）は、異方性エラストマー１７０の変形前の状態を示す斜視図である。図５（ａ）、図５（ｂ）において、左上に矢印で示すＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を異方性エラストマー１７０のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向とする。図５（ａ）に示した異方性エラストマー１７０は、エラストマー１５４と、エラストマー１５４と少なくとも一部分において、エラストマー１５４とブロック共重合体を構成する樹脂１７２を含む。
【００２５】
エラストマー１５４は、誘電性を有する。したがって、エラストマー１５４は、電圧を印加することによって変形される。エラストマー１５４としては、誘電性を有し、一般的に使用される合成ゴム系エラストマーが使用できる。合成ゴム系エラストマーとしては、イソプレンゴム（比誘電率：２．６〜２．７）、スチレンブタジエンゴム（比誘電率：２．９〜３．０）、クロロプレンゴム（比誘電率：７．５）、ブチルゴム（比誘電率２．１）、エチレンプロピレンゴム（比誘電率：３．１〜３．４）、シリコーンゴム（比誘電率：３．２〜３．５）、フッ素ゴム（比誘電率：２．０〜２．５）等を挙げることができる。また、これらのエラストマーは、１種類または２種類以上で混合して用いることもできる。さらに、エラストマー１５４は、なるべく高い比誘電率を有することが好ましい。例えば、エラストマー１５４の比誘電率は、２〜８であってよい。
【００２６】
樹脂１７２は、エラストマー１５４よりも高い弾性率を有する。樹脂１７２は、少なくとも一部分において、エラストマー１５４とブロック共重合体を構成する樹脂である。したがって、ブロック共重合を構成していない他の部分においては、ランダム共重合部分を含んでもよく、またグラフト共重合部分を含んでもよい。樹脂１７２としては、エラストマー１５４の弾性率に応じて、例えば、ビニル系（比誘電率：２．８〜８．０）、スチレン系（比誘電率：２．３〜３．４）、ポリアミド系（比誘電率：２．５〜２．６）、ポリイミド系（比誘電率：４．７〜４．８）、アクリル系（比誘電率：２．７〜４．５）、エポキシ系（比誘電率：２．５〜６．０）の樹脂を用いることができる。エラストマー１５４の比誘電率は、樹脂１７２の比誘電率以下であってよい。
【００２７】
なお、樹脂１７２は、結晶性を有するポリアミド系、ポリイミド系ポリマーがより好ましい。樹脂１７２が結晶性を有する場合、一方向に延伸することで、結晶化が促進され、樹脂１７２の剛性が高まる。これにより、樹脂１７２によるエラストマー１５４の変形を拘束する効果を向上でき、異方性エラストマー１７０の異方性を向上できる。
【００２８】
また、樹脂１７２は、エラストマー１５４と相分離する。したがって、異方性エラストマー１７０において、樹脂１７２は、エラストマー１５４という海の中に島状に分散されて点在する。その状態において、異方性エラストマー１７０がＹ軸方向に延伸されると、島状に分散されて点在した樹脂１７２は、Ｙ軸方向に沿った円筒形状のシリンダー構造を形成する。また、シリンダー構造を形成した複数の樹脂１７２は、Ｙ軸方向に交差するＸ軸方向に並んで、エラストマー１５４の内部に配置される。なお、Ｙ軸方向は、一方向の一例であり、Ｘ軸方向は、一方向に交差する他方向の一例である。
【００２９】
図５（ｂ）は、異方性エラストマー１７０の変形後の状態を示す斜視図である。図５（ａ）に示したように、Ｚ軸方向から異方性エラストマー１７０を圧縮するように応力１６０と、応力１６２とが加えられて、Ｚ軸方向の体積が減少する。この場合に、図５（ｂ）に示したように、異方性エラストマー１７０は、Ｘ軸方向に大きく伸長し、Ｙ軸方向にはほとんど伸長しない。
【００３０】
樹脂１７２は、エラストマー１５４よりも高い弾性率を有する。したがって、同じ応力を加えられた場合における樹脂１７２の伸長量は、エラストマー１５４より小さい。また、樹脂１７２とエラストマー１５４とは共重合しているので、樹脂１７２とエラストマー１５４とは分子同士で結合している。樹脂１７２は、Ｙ軸方向に沿ったシリンダー構造であるので、樹脂１７２のＹ軸方向に沿った寸法は長く、当該寸法全体でエラストマー１５４を拘束できる。このため、樹脂１７２は、エラストマー１５４のＹ軸方向の変形を強く拘束できる。
【００３１】
同様に、樹脂１７２は、Ｘ軸方向に沿った幅でエラストマー１５４のＸ軸方向に伸長を抑制しようとする。しかし、樹脂１７２は、Ｘ軸方向に分離して並んでいるので、エラストマー１５４のＸ軸方向の伸長に従って、樹脂１７２は、Ｘ軸方向に移動する。このため、樹脂１７２は、エラストマー１５４を拘束できず、樹脂１７２は、エラストマー１５４のＸ軸方向の変形を拘束できない。
【００３２】
このように、異方性エラストマー１７０において、Ｙ軸方向に沿ったシリンダー構造の樹脂１７２は、エラストマー１５４のＹ軸方向の変形を拘束するが、Ｘ軸方向の変形を拘束しない。これにより、異方性エラストマー１７０の変形の異方性が発現される。
【００３３】
さらに、Ｙ軸方向に延伸した異方性エラストマー１７０を、樹脂１７２のガラス転移温度より高い温度であって、エラストマー１５４の融点よりも低い温度でアニール処理する。アニール処理により、エラストマー１５４および樹脂１７２を構成する高分子主鎖が流動して、エラストマー１５４とシリンダー構造を形成した樹脂１７２とがより明確に相分離する。これにより、樹脂１７２の明確な相分離構造が形成され、樹脂１７２から形成されるシリンダー構造が完成する。
【００３４】
また、異方性エラストマー１７０において、エラストマー１５４は、異方性エラストマー１７０の全重量に対して、９０から５０重量％で含まれることが好ましく、樹脂１７２は、異方性エラストマー１７０の全重量に対して、１０から５０重量％で含まれることが好ましい。樹脂１７２の含有量が１０重量％より少なくなると、異方性エラストマー１７０の異方性が低くなる。また、樹脂１７２の含有量が５０重量％より多くなると、エラストマー１５４の弾性率が高くなり、柔軟性を低下させる。そして、エラストマー１５４の柔軟性が低下した結果、予め定められた一定電圧を印加した場合の、異方性エラストマー１７０の伸長量が減少し、誘電エラストマーアクチュエータの出力は低下する。
【００３５】
また、樹脂１７２は、なるべく高い誘電率を有する樹脂であることが好ましい。樹脂１７２が高い誘電率を有することで、異方性エラストマー１７０全体の誘電率を高めることができる。これにより、異方性エラストマー１７０を誘電アクチュエータに用いた場合であって、異方性エラストマー１７０に予め定められた一定の電圧を印加した場合に、誘電率が低い異方性エラストマーを用いた場合よりも、大きく伸長させることができ、高い出力が得られる。例えば、樹脂１７２の比誘電率は、２〜８であってよい。
【００３６】
図６（ａ）は、他の異方性エラストマー１８０の変形前の状態を示す断面図である。図６（ａ）、図６（ｂ）において、左上の矢印で示すＸ方向、Ｙ方向を異方性エラストマー１８０のＸ軸方向、Ｙ軸方向とし、紙面奥側方向をＺ軸方向とする。図６（ａ）に示した異方性エラストマー１８０は、矩形状であってシート状である。異方性エラストマー１８０は、エラストマー１５６と、複数の異方性物質１８２とを含む。また、異方性物質１８２は、矩形状である。異方性物質１８２は、異方性物質１８２の長手方向がＹ軸方向に沿うようにＹ軸方向に交差する他方向であるＸ方向に並べてエラストマー１５６の内部に配置されている。なお、図６（ａ）に示した場合において、Ｙ軸方向は、一方向の一例であり、Ｘ軸方向は、一方向に交差する他方向の一例である。
【００３７】
エラストマー１５６は、誘電性を有する。したがって、エラストマー１５６は、電圧を印加することによって変形される。エラストマー１５６は、誘電性を有していれば、合成ゴム系エラストマーであってもよく、天然ゴム系エラストマーであってもよい。合成ゴム系エラストマーとしては、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等を挙げることができる。また、これらのエラストマーは、１種類または２種類以上で混合して用いることもできる。また、天然ゴム系エラストマーとしては、天然ゴムなどを挙げることができる。
【００３８】
異方性物質１８２としては、エラストマー１５６よりも弾性率が高い、金属繊維、ガラス繊維および樹脂繊維が挙げられる。金属繊維としては、塑性加工、溶融紡糸法およびＣＶＤ法で製造されたステンレス繊維、アルミニウム繊維、鉄繊維、ニッケル繊維、銅繊維等を挙げることができる。また、ガラス繊維としては、ガラスを融解した後、牽引して繊維状にしたガラス繊維を用いることができる。また、樹脂繊維としては、種々の熱可塑性および熱硬化性樹脂から製造される樹脂繊維が挙げられるが、耐熱性、柔軟性、高強度であることからアラミド繊維を用いることが好ましい。ここで、金属繊維、ガラス繊維および樹脂繊維は、フィラーの一例であり、異方性物質１８２は、これらの繊維を少なくとも１つ含む。
【００３９】
図６（ｂ）は、他の異方性エラストマー１８０の変形後の状態を示す断面図である。Ｚ軸プラス方向から異方性エラストマー１８０を圧縮するように応力１６０と、応力１６２とが加えられ、Ｚ軸方向の体積が減少した場合に、図６（ｂ）に示したように、異方性エラストマー１８０は、Ｘ軸方向に大きく伸長し、Ｙ軸方向にはほとんど伸長しない。
【００４０】
異方性物質１８２は、エラストマー１５６よりも高い弾性率を有する。したがって、同じ応力を加えられた場合における異方性物質１８２の伸長量は、エラストマー１５６より小さい。また、異方性物質１８２とエラストマー１５６とは接合されている。なお、接合の一例は、接着剤による接着である。異方性物質１８２は、長手方向がＹ軸方向に沿うように配置されているので、異方性物質１８２は、Ｙ軸方向沿った長さでエラストマー１５６のＹ軸方向の変形を拘束する。異方性物質１８２のＹ軸方向に沿った長さは長いので、異方性物質１８２は、エラストマー１５６のＹ軸方向の変形を強く拘束する。
【００４１】
同様に、異方性物質１８２は、Ｘ軸方向に沿った長さでエラストマー１５６のＸ軸方向の変形を拘束しようとする。しかし、異方性物質１８２は、Ｘ軸方向に分離して並んでいるので、エラストマー１５６のＸ軸方向の伸長に従って、異方性物質１８２は、Ｘ軸方向に移動する。このため、異方性物質１８２は、エラストマー１５６を拘束できず、異方性物質１８２は、エラストマー１５６のＸ軸方向の変形を拘束できない。
【００４２】
このように、異方性エラストマー１８０において、異方性物質１８２は、エラストマー１５６のＹ軸方向の変形を拘束し、Ｘ軸方向の変形を拘束しない。これにより、異方性エラストマー１８０の変形の異方性が発現する。
【００４３】
また、異方性物質１８２は、エラストマー１５６に内包されている。異方性物質１８２を、エラストマー１５６に内包させることによって、Ｙ軸方向に沿った方向における異方性物質１８２とエラストマー１５６との接着界面の面積は増加する。接着界面によりエラストマー１５６の変形が拘束される。したがって、エラストマー１５６に異方性物質１８２を内包させることで、異方性エラストマー１８０の変形を強く拘束できる。
【００４４】
異方性物質１８２をエラストマー１２６に内包させると、Ｘ軸方向に沿った方向における異方性物質１８２との接着界面の面積も増える。しかしながら、Ｘ軸方向に沿った方向における接着界面の面積の増加量は、Ｙ軸方向に沿った方向における接着界面の面積の増加量より少ない。そのため、異方性物質１８２をエラストマー１５６に内包することで、Ｙ軸方向に沿った方向における異方性物質１８２とエラストマー１５６との接着界面の面積と、Ｘ軸方向に沿った方向における異方性物質１８２とエラストマー１５６との接着界面の面積との差を大きくできる。これにより、異方性物質１８２は、Ｙ軸方向に沿った方向に、エラストマー１５６の変形を強く拘束できる。このように、異方性物質１８２をエラストマー１５６に内包することによって、異方性エラストマー１８０の変形の異方性を高めることができる。
【００４５】
図７（ａ）は、他の異方性エラストマー１８４の変形前の状態を示す断面図である。図７（ａ）において、図６（ａ）（ｂ）と同じ要素には、同じ参照番号を付して、重複する説明を省略する。また、図７（ａ）、図７（ｂ）において、左上の矢印で示すＸ方向、Ｙ方向を異方性エラストマー１８４のＸ軸方向、Ｙ軸方向とし、紙面奥側方向をＺ軸方向とする。図７（ａ）に示した異方性エラストマー１８４は、異方性物質１８２よりもＹ軸方向の長さがおよそ半分となった短い異方性物質１８６を含む。なお、異方性物質１８６と異方性物質１８２とは、Ｙ軸方向に沿った長さは異なるが、他の構成は同じであるので、他の説明は省略する。
【００４６】
図７（ｂ）は、他の異方性エラストマー１８４の変形後の状態を示す断面図である。異方性物質１８２を異方性物質１８６に代えると、上述したように、Ｙ軸方向に沿った方向における異方性物質１８６の長さは、およそ半分となる。このため、Ｙ軸方向に沿った方向における異方性物質１８６とエラストマー１５６との接着界面の面積とＸ軸方向に沿った方向における異方性物質１８６とエラストマー１５６との接着界面の面積との差は、異方性物質１８２を用いた場合に比べて小さくなるので、Ｙ軸方向に沿った方向に、エラストマー１５６の変形を強く拘束できなくなる。このように、異方性物質１８６のＹ軸方向に沿った長さを短くすると、異方性エラストマー１８４の変形の異方性は低下する。
【００４７】
なお、１つの異方性物質１８６のＹ軸方向に沿った方向の長さと、Ｘ軸方向に沿った方向の長さが異なる場合には、Ｙ軸方向に沿った方向における異方性物質１８６とエラストマー１５６との接着界面の面積と、Ｘ軸方向に沿った方向における異方性物質１８６とエラストマー１５６との接着界面の面積は異なる。接着界面の面積が広い方が、異方性物質１８６は、エラストマーの変形をより強く拘束するので、１つの異方性物質１８６のＹ軸方向に沿った方向の長さとＸ軸方向に沿った方向の長さとが同じでない場合には、異方性エラストマー１８４の変形の異方性が発現する。
【実施例】
【００４８】
実施例１および実施例２について。
異方性エラストマー１７０の一例として、クラレ社製のセプトン（登録商標）ＳＥＰＳ２００２を用いた。セプトン（登録商標）ＳＥＰＳ２００２は、ポリスチレンブロックと、柔軟なポリオレフィン構造のエラストマーブロックで構成された熱可塑性エラストマーであり、ポリスチレン−ポリエチレンプロピレンブロック−ポリスチレンから構成されるブロック共重合体である。
【００４９】
この場合、異方性エラストマー１７０の樹脂１７２は、ポリスチレンである。また、異方性エラストマー１７０のエラストマー１５４は、ポリエチレンプロピレンである。この異方性エラストマーを第１ブロック共重合体と称する。ポリスチレンの引張強さは、３６〜５２ＭＰａであり、ポリエチレンプロピレンの引張強さは、５〜２０ＭＰａである。弾性率の値は、明記されていないものの、切断時の伸びは、ポリスチレンが１．２〜２．５％であるのに対し、ポリエチレンプロピレンの伸びは、１００〜８００％であり、ポリスチレンと比較して、ポリエチレンプロピレンは変形しやすいことがわかる。弾性率は、変形のしにくさを示す物性値であることから、ポリスチレンの弾性率は、ポリエチレンプロピレンより高いことが分かる。また、ポリスチレンとポリエチレンプロピレンとは、互いに相溶せずに相分離する。さらに、ポリエチレンプロピレンは、比誘電率３．１〜３．４の誘電体であり、ポリスチレンは、比誘電率２．４〜３．１の誘電体である。
【００５０】
図８は、一方向に延伸した後にアニール処理した第１ブロック共重合体の断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真である。まず、断面ＴＥＭ写真を撮影したサンプルの作成方法について説明する。
【００５１】
第１ブロック共重合体のペレット１５ｇをトルエン３５ｇに添加して、室温の温度条件下で一晩撹拌して第１ブロック共重合体をトルエンに溶解させて、第１ブロック共重合体の３０ｗｔ％トルエン溶液を作成した。この溶液をテフロン（登録商標）シート上でキャスト成膜した。その後、室温の温度条件下で１日以上乾燥させ、膜厚約２００μｍの柔軟なフィルムを得た。次に、フィルム状の第１ブロック共重合体を１００℃の温度条件下でＹ軸方向に３．５倍の延伸倍率で延伸した。延伸後、１４０℃の温度条件下で５時間アニール処理を行い、ＴＥＭ写真を撮影したサンプルを作成した。
【００５２】
次に、第１ブロック共重合体フィルムの断面の作成について説明する。アニール処理後の第１ブロック共重合体を、ミクロトームを用いて、Ｙ軸方向に交差する面で切削した。切削は、−１５０℃の環境下で凍結切削した。そして、切削して作成した断面を、ＴＥＭを用いて観察した。
【００５３】
図８に示したＴＥＭ写真において、白い領域は、ポリエチレンプロピレンブロックであり、黒い領域は、スチレンブロックである。図８に示したように、延伸してアニール処理した第１ブロック共重合体の内部には、ポリスチレンブロックにより形成された直径１０ｎｍの円筒形状のシリンダー構造が形成されていることが分かる。
【００５４】
表１は、第１ブロック共重合体の延伸条件、アニール条件および引張方向を示す表である。実施例１は、キャスト成膜により作成したフィルム状の第１ブロック共重合体を、１００℃の条件下でＹ軸方向に３．５倍の延伸倍率で延伸した後、１４０℃の温度条件下で１時間アニール処理を行った第１ブロック共重合体である。また、実施例２は、ＴＥＭ写真を撮影したサンプルと同じ処理をした第１ブロック共重合体である。比較例１は、延伸もアニール処理も行っていないフィルム状の第１ブロック共重合体である。
【表１】
2017070150.tif 000003
【００５５】
表１に示している引張方向およびサンプルＮｏは、図９に対応している。例えば、比較例１におけるＸ軸方向またはＹ軸方向の変位と引張力との関係を示したプロファイルは、図９におけるプロファイル１−１であることを示している。
【００５６】
同様に、実施例１におけるＸ軸方向に引っ張った場合の変位と引張力との関係を示したプロファイルが、図９におけるプロファイル１−２であり、Ｙ軸方向に引っ張った場合の変位と引張力との関係を示すプロファイルが図９におけるプロファイル１−３であることを示している。また、実施例２におけるＸ軸方向に引っ張った場合の変位と引張力との関係を示すプロファイルが、図９におけるプロファイル１−４であり、Ｙ軸方向に引っ張った場合の変位と引張力との関係を示すプロファイルが図９におけるプロファイル１−５であることを示している。
【００５７】
図９は、第１ブロック共重合体の変位と引張力との関係を示すグラフである。図９において、縦軸は、引張力を示しており、単位は［Ｎ］である。また、横軸は、関係式（１）で算出されるひずみ量を示しており、単位は［％］である。また、測定サンプルは、フィルム状の第１ブロック共重合体から幅１０ｍｍ、長さ２５ｍｍの試験片を切り出し、長さ方向の上下７．５ｍｍの部分をチャッキングしてチャック間距離を１５ｍｍとし、引っ張り速度５０ｍｍ／ｍｉｎの条件で、ひずみ量に対する引張力を測定した。なお、引張力の測定は、ミネベア社製の荷重測定器ＬＴＳ１ｋＮＢ‐Ｓ５０を用いて行った。
【００５８】
実施例１の第１ブロック共重合体は、Ｙ軸方向に延伸されているので、Ｙ軸方向に沿ってポリスチレンで構成される円筒状のシリンダー構造が形成されている。したがって、Ｙ軸方向にひずみ量を生じさせるための引張力を示すプロファイル１−３は、Ｘ軸方向にひずみ量を生じさせるための引張力を示すプロファイル１−２を常に上回っており、Ｙ軸方向にＸ軸方向と同じひずみ量を生じさせるためには、Ｘ軸方向よりも高い引張力が必要であることを示している。すなわち、実施例１の第１ブロック共重合体は、Ｘ軸方向にはひずみやすいが、Ｙ軸方向にはひずみづらいことを示しており、これは、変形の異方性が発現することを示すものである。
【００５９】
実施例２の第１ブロック共重合体は、実施例１の第１ブロック共重合体に対してアニール時間が異なる。具体的には、実施例１の第１ブロック共重合体は、アニール処理として１４０℃の温度条件下で１時間行っているのに対し、実施例２においては、アニール処理を１４０℃の温度条件下にて５時間行っている。
【００６０】
図９に示すように、Ｙ軸方向における、実施例２のひずみ量に対する引張力を示すプロファイル１−５は、実施例１におけるプロファイル１−３を上回っている。これにより、第１ブロック共重合体のアニール処理時間を長くすることによって、実施例２の第１ブロック共重合体は、実施例１の第１ブロック共重合体よりも、Ｙ軸方向の変形を強く拘束していることが分かる。
【００６１】
ポリスチレンおよびポリエチレンプロピレンはいずれも非結晶性であり、非晶状態となっている。また、ポリスチレンのガラス転移点は約１００℃であり、ポリエチレンプロピレンのガラス転移点は約−５０℃である。また、エチレンプロピレンの融点は、約１５０℃であり、ポリスチレンの融点は約２３０℃である。つまり、１４０℃というアニール処理温度は、ポリスチレンおよびポリエチレンプロピレンのＴｇより高い温度であって、ポリスチレンおよびポリエチレンプロピレンの融点より低い温度である。アニール温度は、融点よりも低い温度なので、フィルム状の第１ブロック共重合体の形状は、大きく変化しない。しかしながら、１４０℃というアニール処理温度は、ポリスチレンおよびポリエチレンプロピレンのＴｇより高い温度なので、ポリスチレンおよびポリエチレンプロピレンの主鎖は、アニール処理により加えられる熱により流動する。このため、成膜時においては、部分的に混ざり合っていたポリスチレンとポリエチレンプロピレンは、当該流動によって相分離が促進される。これにより、ポリスチレンの明確な相分離構造が形成され、ポリスチレンから形成される円筒形状のシリンダー構造が完成する。そして、完成されたポリスチレンのシリンダー構造によって、第１ブロック共重合体のＹ軸方向の変形が強く拘束されたものと考えられる。
【００６２】
比較例１の第１ブロック共重合体は、一方向に延伸しておらず、また、アニール処理もしていない。したがって、比較例１の第１ブロック共重合体には、ポリスチレンから構成される円筒形状のシリンダー構造が形成されていない。そのため、ポリエチレンプロピレンの変形を拘束できないので、Ｘ軸方向におけるひずみ量に対する引張力と、Ｙ軸方向におけるひずみ量に対する引張力を示すプロファイル１−１は同じとなり、比較例１の第１ブロック共重合体には、変形の異方性が発現しない。
【００６３】
このように、ポリエチレンプロピレンと、ポリエチレンプロピレンと相分離し、ポリエチレンプロピレンとブロック共重合体を構成し、ポリエチレンプロピレンよりも弾性率が高いポリスチレンとを有する第１ブロック共重合体は、一方向であるＹ軸方向に延伸されることで、Ｙ軸方向に沿って延び、かつＹ軸方向に交差する他方向であるＸ軸方向に並んで、第１ブロック共重合体の内部に配置され、ポリスチレンで構成された円筒形状のシリンダー構造が形成される。このシリンダー構造は、Ｙ軸方向におけるポリエチレンプロピレンの変形を拘束するが、Ｘ軸方向におけるポリエチレンプロピレンの変形を拘束しないので、第１ブロック共重合体に変形の異方性を発現させる。
【００６４】
そして、ポリスチレンから構成されたシリンダー構造は、図８に示したように第１ブロック共重合体内部全体に渡って形成される。第１ブロック共重合体の内部全体に渡って形成された円筒形状のシリンダー構造によって、ポリエチレンプロピレンの変形を拘束できるので、第１ブロック共重合体に変形の異方性を確実に発現させることができる。
【００６５】
さらに、第１ブロック共重合体をポリスチレンのガラス転移温度よりも高い温度であって、ポリエチレンプロピレンの融点よりも低い温度でアニール処理を行う。これにより、プリスチレンで構成された円筒形状のシリンダー構造を完全にできる。これにより、当該シリンダー構造によって、シリンダー構造が伸びる方であるＹ軸方向の変形を強く拘束でき、変形の異方性を高めることができる。
【００６６】
なお、エラストマーのガラス転移温度は、エラストマーより弾性率の高い樹脂のガラス転移温度より低いので、アニール温度を樹脂のガラス転移温度より高いことを規定すれば、エラストマーのガラス転移温度よりも高い温度であることも規定できる。また、同様にエラストマーの融点は、エラストマーより弾性率の高い樹脂の融点より低いので、アニール温度を、エラストマーの融点よりも低いことを規定すれば、樹脂の融点よりも低い温度であることも規定できる。
【００６７】
実施例３から実施例１０について。
表２は、エラストマー複合体の変形特性を示す表である。図６に示した異方性エラストマー１８０の一例として、合成ゴム系エラストマーに矩形状のアラミド繊維として東レデュポン社製のケブラー撚糸を内包するエラストマー複合体を用いた。実施例３から実施例９において、異方性エラストマー１８０の異方性物質１８２は、異方形状である矩形のアラミド繊維であり、エラストマー１５６は、スチレンブタジエンゴムである旭化成社製のタフテック（登録商標）Ｍ１９４３である。アラミド繊維の引張強さは、約２９２０ＭＰａであり、タフテック（登録商標）Ｍ１９４３の引張強さは、１５．６ＭＰａである。弾性率の値は、明記されていないものの、アラミド繊維と比較して、タフテック（登録商標）Ｍ１９４３は変形しやすいことがわかる。弾性率は、変形のしにくさを示す物性値であることから、アラミド繊維の弾性率は、タフテック（登録商標）Ｍ１９４３より高いことが分かる。なお、以後、上記エラストマー１５６を、第１合成ゴム系エラストマーと称する。
【表２】
2017070150.tif 000004
【００６８】
実施例３に示す異方性エラストマー複合体は、エラストマー内部に矩形のアラミド繊維を内包するエラストマー複合体である。エラストマー複合体の構成は、厚さ２００μｍの第１合成ゴム系エラストマーの上面全体に、長手方向をＹ軸方向に沿うように、アラミド繊維をＸ軸方向に並べて配置した。そして、その上から厚さ２００μｍの第１合成ゴム系エラストマーを重ねてエラストマー複合体を作成した。
【００６９】
実施例３に示す異方性エラストマー複合体を、圧縮治具を用いて１０分間クランプし、その状態を確認した（印加圧縮力：８ｋＮ）。その結果を表２の圧縮特性のひずみ量欄に示している。なお、ひずみ量は、関係式（１）を用いて算出し、Ｘ軸方向に沿った方向のひずみ量をεＸ欄に、Ｙ軸方向に沿った方向のひずみ量をεＹ欄に示している。また、ひずみ比欄には、以下の関係式（２）で算出される値を記録した。
【００７０】
ひずみ比＝εＸ／εＹ・・・（２）
【００７１】
実施例３において、Ｘ軸方向のひずみ量εＸは９４％であり、Ｙ軸方向のひずみ量εＹは１３％であった。また、ひずみ比は、関係式（２）にεＸおよびεＹを代入し算出したところ７．５であった。
【００７２】
実施例４は、エラストマーの厚みを４１０μｍとした以外は、実施例３と同じ条件で、ひずみ量の測定およびひずみ比を算出した。実施例４において、Ｘ軸方向のひずみ量εＸは１８６％であり、Ｙ軸方向のひずみ量εＹは９０％であった。また、ひずみ比は、２．１であった。
【００７３】
実施例５は、印加圧縮力を下げたこと（印加圧縮力：１ｋＮ未満）以外は、実施例４と同じ条件で、ひずみ量の測定およびひずみ比を算出した。実施例５において、Ｘ軸方向のひずみ量εＸは１１０％であり、Ｙ軸方向のひずみ量εＹは２２％であった。また、ひずみ比は、５．１であった。
【００７４】
実施例６は、エラストマーとして、柔軟なスチレンブタジエンゴムである旭化成社製タフテック（登録商標）Ｌ５２１を用いた。なお、測定規格ＩＳＯ７６１９に則して、デュロメータタイプＡで測定したタフテック（登録商標）Ｌ５２１の硬さは３９であり、同じ測定規格で測定した第１合成ゴム系エラストマーの硬さは６７である。またエラストマーの厚みを４００μｍとしたこと以外は、実施例４と同じ条件で、ひずみ量の測定およびひずみ比を算出した。実施例６において、Ｘ軸方向のひずみ量εＸは２１３％であり、Ｙ軸方向のひずみ量εＹは１１２％であった。また、ひずみ比は、１．９であった。なお、以後、上記エラストマーを第２合成ゴム系エラストマーと称する。
【００７５】
実施例７は、印加圧縮力を下げたこと以外は、実施例６と同じ条件で、ひずみ量の測定およびひずみ比を算出した。実施例７において、Ｘ軸方向のひずみ量εＸは１５６％であり、Ｙ軸方向のひずみ量εＹは３５％であった。また、ひずみ比は、４．５であった。
【００７６】
実施例８は、エラストマーを第２合成ゴム系エラストマーとし、エラストマーの厚みを２５０μｍとした以外は、実施例３と同じ条件で、ひずみ量の測定およびひずみ比を算出した。実施例８において、Ｘ軸方向のひずみ量εＸは１５３％であり、Ｙ軸方向のひずみ量εＹは１６％であった。また、ひずみ比は、９．８であった。
【００７７】
実施例９は、エラストマーを長鎖長の変性シリコーンの側鎖に、金属化合物を導入したエラストマー（表２中「エラストマー超低弾性」と示す）とし、エラストマーの厚みを１００μｍ（１０μｍ／８０μｍ／１０μｍ構成）とした以外は、実施例３と同じ条件で、ひずみ量の測定およびひずみ比を算出した。実施例９において、Ｘ軸方向のひずみ量εＸ１．９％であり、Ｙ軸方向のひずみ量εＹは０．２％であった。また、ひずみ比は、９．５であった。
【００７８】
実施例１０は、エラストマーを長鎖長の変性シリコーンの側鎖に、金属化合物を導入したエラストマーとし、エラストマーの厚みを８０μｍ（１０μｍ／６０μｍ／１０μｍ構成）とした以外は、実施例３と同じ条件で、ひずみ量の測定およびひずみ比を算出した。実施例１０において、Ｘ軸方向のひずみ量εＸ３．９％であり、Ｙ軸方向のひずみ量εＹは０．２％であった。また、ひずみ比は、１９．５と最も大きな値を示した。
【００７９】
参考例１は、エラストマーを第１合成ゴム系エラストマーとし、エラストマーの厚みを５００μｍ、アラミド繊維を２００μｍとし、アラミド繊維をエラストマーの片側に設けたこと以外は、実施例３と同じ条件で、ひずみ量の測定およびひずみ比を算出した。参考例１において、Ｘ軸方向のひずみ量εＸは５８％であり、Ｙ軸方向のひずみ量εＹは１４％であった。また、ひずみ比は、４．１であった。
【００８０】
比較例２として、５００μｍの第１合成ゴム系エラストマーを用いて、実施例３と同じ圧縮力で圧縮させて、ひずみ量の測定およびひずみ比を算出した。比較例１において、Ｘ軸方向のひずみ量εＸは８８％であり、Ｙ軸方向のひずみ量εＹは、８７％であった。また、ひずみ比は、１であった。
【００８１】
比較例３として、４２０μｍの第２合成ゴム系エラストマーを用いて、実施例３と同じ圧縮力で圧縮させて、ひずみ量の測定およびひずみ比を算出した。比較例２において、Ｘ軸方向のひずみ量εＸは１０８％であり、Ｙ軸方向のひずみ量εＹは、１０２％であった。また、ひずみ比は、１．１であった。
【００８２】
ひずみ比は、変形しやすいＸ軸方向のひずみ量εＸを、変形しにくいＹ軸方向のひずみ量εＹで除していることから、エラストマー複合体の変形異方性能の高さを直接的に示す値である。実施例３から１０に示したエラストマー複合体のひずみ比は、何れも１より大きな値となっており、変形の異方性が発現している。その中で、最も高いひずみ比が算出されたのは、実施例１０であった。このことから、エラストマーの弾性率は低いことが好ましいことがわかる。
【００８３】
このように、実施例３から実施例１０に示したエラストマー複合体は、スチレンブタジエンゴムである第１合成ゴム系エラストマーまたは第２合成ゴム系エラストマーと、スチレンブタジエンゴムよりも弾性率が高い異方形状のアラミド繊維とを含み、長手方向をＹ軸方向に沿うように、アラミド繊維をＸ軸方向に並べて、スチレンブタジエンゴムの内部に配置される。このようなエラストマー複合体において、アラミド繊維は、スチレンブタジエンゴムの内部において、Ｘ軸方向よりもＹ軸方向の変形を強く拘束する。これにより、アラミド繊維は、スチレンブタジエンゴムの内部においてスチレンブタジエンゴムの変形を拘束できるので、変形の異方性を確実に発現させることができる。
【００８４】
また、実施例１および実施例２に示した第１ブロック共重合体と、実施例３から実施例１０に示したエラストマー複合体は、誘電性を有する。したがって、第１ブロック共重合体およびエラストマー複合体を正極および負極にそれぞれ接続された二枚の電極で挟み込むことで、誘電エラストマーアクチュエータを構成できる。
【００８５】
例えば、第１ブロック共重合体を用いた場合において、第１ブロック共重合体をＹ軸方向に延伸することによって、Ｙ軸方向に延びたシリンダー構造を、Ｘ軸方向に並べて形成させた場合に、二枚の電極による電圧の印加方向は、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に交差するＺ軸方向とする。Ｚ軸方向の体積減少によるＹ軸方向の変形は、シリンダー構造により拘束されるので、Ｘ軸方向の変形量を増やすことができる。これにより、誘電エラストマーアクチュエータのＸ軸方向の出力を増大させることができる。
【００８６】
なお、エラストマー複合体を用いた場合においても、同様の効果が得られる。すなわち、アラミド繊維の長手方向をＹ軸方向に沿ってＸ軸方向に並べて配置した場合において、Ｚ軸方向から電圧を印加することで、Ｘ軸方向の変形量を増やすことができる。これにより、誘電エラストマーアクチュエータのＸ軸方向の出力を増大させることができる。
【００８７】
さらに、実施例１から実施例１０に示した異方性エラストマーは、平面加工が容易にできるので、二枚の電極で挟み込んだ誘電エラストマーアクチュエータにおいても、平面性を維持できる。このため、誘電エラストマーアクチュエータの出力を増大させる目的で、複数の誘電エラストマーアクチュエータを積層した場合においても、各アクチュエータ間に隙間を生じさせることなく積層できる。これにより、生じた隙間により絶縁破壊が発生してしまうことを防止できる。
【００８８】
本実施形態において説明した誘電エラストマーアクチュエータは、身体の動作を補助する補助用具に用いることができる。補助用具は、例えば、アクチュエータが衣服等に取り付けられたアシストスーツであってよい。そのような補助用具についてここで説明する。
【００８９】
図１０は、補助用具１０を装着したユーザの正面図である。図１１は、補助用具１０を装着したユーザの背面図である。図１０に矢印で示す上下左右を補助用具１０の上下左右方向とする。また、ユーザから見て前後を、補助用具１０の前後方向とする。
【００９０】
ユーザは、上半身にシャツ８０を着るとともに、下半身にズボン８２を履いているとする。また、ズボン８２の胴体の腰部分には、ベルト８４が巻かれている。ベルト８４は、胴体の前面に配されるバックル８６を有する。シャツ８０の上部は、肩からずれないように形成されている。ズボン８２の裾は、足首からずれないように絞られている。尚、シャツ８０及びズボン８２の内面が、ユーザの体と密着するダイビングスーツのような構成であってもよい。シャツ８０、ズボン８２、及び、ベルト８４は、身体に取り付ける装着部の一例である。更に、ベルト８４は、身体に固定されている装着部の部分の一例である。
【００９１】
補助用具１０は、ユーザの身体の動作を補助する。図１０及び図１１に示すように、補助用具１０は、前右人工筋肉部１２と、前左人工筋肉部１４と、後右人工筋肉部１６と、後左人工筋肉部１８と、電源部２０と、検出部の一例である右検出部２２及び左検出部２４と、装着検出部２６と、制御部２８とを備える。
【００９２】
前右人工筋肉部１２は、前右アクチュエータ３０と、一対の前右取付部３２と、電力配線３４とを備える。
【００９３】
前右アクチュエータ３０は、上下方向に延びるように形成されている。前右アクチュエータ３０の上下方向、即ち、長手方向の一端は、右足の上方であって、ベルト８４及びユーザの腰の上方のシャツ８０の前面に配置されている。前右アクチュエータ３０の長手方向の他端は、右足の膝の下方のズボン８２の前面に配置されている。前右アクチュエータ３０は、ユーザの胴体の腰及び膝の関節を跨ぐように設けられている。
【００９４】
前右アクチュエータ３０は、電圧が印加されると伸縮する、図１及び図２で説明したアクチュエータ１１０により実現されてよい。前右アクチュエータ３０は、電圧が印加されると、上下方向、即ち、長手方向に伸縮する。これにより、前右アクチュエータ３０は、収縮することにより、歩くとき等のユーザの右足の上昇を補助する。
【００９５】
一対の前右取付部３２は、前右アクチュエータ３０の伸縮方向の両端を服に取り付ける。一方の前右取付部３２は、前右アクチュエータ３０の上端部に設けられ、シャツ８０の前面に取り付けられている。尚、前右アクチュエータ３０の上端部は、一方の前右取付部３２を介して、伸縮力により動きにくいベルト８４に取り付けられていてもよい。このように、身体に固定されたベルト８４に取り付けることにより、前右取付部３２は、伸縮時の支点となる前右アクチュエータ３０の上端部を確実に支持できる。他方の前右取付部３２は、前右アクチュエータ３０の下端部に設けられ、ズボン８２の前面に取り付けられている。前右取付部３２は、ボタン、ファスナー、面ファスナー等によってシャツ８０またはズボン８２に、前右アクチュエータ３０とともに取り外し可能に取り付けられている。一対の前右取付部３２の一部は、ゴム等の弾性部材で構成することが好ましい。
【００９６】
電力配線３４の一端は、上側の前右取付部３２を介して、前右アクチュエータ３０と電気的に接続されている。電力配線３４の他端は、電源部２０に接続されている。これにより、電力配線３４は、前右アクチュエータ３０と電源部２０とを電気的に接続する。
【００９７】
前左人工筋肉部１４、後右人工筋肉部１６及び後左人工筋肉部１８は、前右人工筋肉部１２と同様の構成を有するので、異なる点以外は説明を省略する。
【００９８】
前左人工筋肉部１４は、前左アクチュエータ３６と、一対の前左取付部３８と、電力配線４０とを備える。前左アクチュエータ３６は、一対の前左取付部３８によって、腰の上方のシャツ８０の前面から左足の膝の下方にわたってズボン８２の前面に取り付けられている。尚、前左アクチュエータ３６の一端は、伸縮力により動きにくいベルト８４に取り付けてもよい。前左アクチュエータ３６は、収縮することにより、歩くとき等のユーザの左足の上昇を補助する。電力配線４０は、前左アクチュエータ３６と電源部２０とを電気的に接続する。
【００９９】
後右人工筋肉部１６は、後右アクチュエータ４２と、一対の後右取付部４４と、電力配線４６とを備える。後右アクチュエータ４２は、一対の後右取付部４４によって、右足の付け根のズボン８２の後面から右足の膝の下方の足首近傍にわたってズボン８２の後面に取り付けられている。後右アクチュエータ４２は、ベルト８４及びシャツ８０等に取り付けてもよい。また、後右アクチュエータ４２は、膝下までの長さであってもよい。後右アクチュエータ４２は、ズボン８２のポケット８８の内部に配置されている。ポケット８８は、後右アクチュエータ４２の伸縮とともに、伸縮できる材料が好ましい。これにより、ポケット８８が後右アクチュエータ４２の伸縮の妨げとなることを防ぐことができる。また、ポケット８８が伸縮方向と交差する方向の後右アクチュエータ４２の変形を防ぐことができる。後右アクチュエータ４２は、収縮することにより、ボールを蹴るとき等のユーザの右足の上昇を補助する。電力配線４６は、ベルト８４の裏に配置された配線を介して、後右アクチュエータ４２と電源部２０とを電気的に接続する。
【０１００】
後左人工筋肉部１８は、後左アクチュエータ４８と、一対の後左取付部５０と、電力配線５２とを備える。後左アクチュエータ４８は、一対の後左取付部５０によって、左足の付け根のズボン８２の後面から左足の膝の下方の足首近傍にわたってズボン８２の後面に取り付けられている。後左アクチュエータ４８は、ベルト８４及びシャツ８０等に取り付けてもよい。また、後左アクチュエータ４８は、膝下までの長さであってもよい。ポケット８８は、後左アクチュエータ４８の伸縮とともに、伸縮できる材料が好ましい。後左アクチュエータ４８は、ズボン８２のポケット８８の内部に配置されている。後左アクチュエータ４８は、収縮することにより、ボールを蹴るとき等のユーザの左足の上昇を補助する。電力配線５２は、ベルト８４の裏に配置された配線を介して、後左アクチュエータ４８と電源部２０とを電気的に接続する。
【０１０１】
電源部２０は、ベルト８４のバックル８６に設けられている。電源部２０は、前右アクチュエータ３０、前左アクチュエータ３６、後右アクチュエータ４２及び後左アクチュエータ４８と電力を供給可能に電気的に接続されている。電源部２０は、図１及び図２の電源１２０に対応するものであってよい。
【０１０２】
右検出部２２は、ユーザの右足の膝の近傍に設けられている。右検出部２２は、ユーザの右足の動きに対応する加速度を検出する。右検出部２２の一例は、３軸加速度センサである。右検出部２２は、配線５４を介して、制御部２８と電気的に接続されている。右検出部２２は、ユーザの右足の動き及び加速度に対応する右加速度信号を制御部２８へと出力する。右加速度信号は、検出信号の一例である。
【０１０３】
左検出部２４は、ユーザの左足の膝の近傍に設けられている。左検出部２４は、３軸加速度センサであって、ユーザの左足の動きに対応する加速度を検出する。左検出部２４は、ユーザの左足の動き及び加速度に対応する左加速度信号を、配線５６を介して制御部２８へと出力する。左加速度信号は、検出信号の一例である。
【０１０４】
装着検出部２６は、ベルト８４のバックル８６に設けられている。装着検出部２６の一例は、圧力センサである。装着検出部２６は、ベルト８４の装着を判定する圧力を検出する。装着検出部２６は、制御部２８と電気的に接続されている。装着検出部２６は、ベルト８４がユーザに装着されて、ベルト８４に圧力が作用すると、当該圧力に対応する圧力信号を制御部２８に出力する。
【０１０５】
制御部２８は、補助用具１０の制御全般を司る。制御部２８の一例は、コンピュータである。制御部２８は、図１および図２におけるスイッチ１３０および制御部１３２に対応するものであってよい。
【０１０６】
図１２は、補助用具１０の制御系を説明するブロック図である。図１２に示すように、制御部２８は、処理部６０と、格納部６２とを備える。処理部６０は、格納部６２に格納された補助用具制御プログラムを読み込むことにより、取得部６４、判定部６６、及び、電源制御部６８として機能する。
【０１０７】
取得部６４は、右検出部２２及び左検出部２４から右加速度信号及び左加速度信号を取得する。取得部６４は、装着検出部２６から圧力信号を取得する。取得部６４は、取得した加速度信号及び圧力信号を判定部６６へと出力する。
【０１０８】
判定部６６は、取得部６４から右加速度信号及び左加速度信号を取得する。判定部６６は、右加速度信号に基づいて右足の速度である右速度を算出する。判定部６６は、算出した右速度の正負から右足の移動方向、速さ及び停止を判定する。判定部６６は、算出した右速度を積算することにより、右足が最も上昇した位置である右最上位置を検出する。判定部６６は、左加速度信号から左足の速度である左速度を算出する。判定部６６は、左速度から左足の移動方向、速さ、及び、停止を判定する。判定部６６は、算出した左速度を積算することによって、左足が最も上昇した位置である左最上位置を検出する。判定部６６は、検出した右最上位置及び左最上位置を格納部６２に格納する。
【０１０９】
判定部６６は、取得部６４から圧力信号を取得する。判定部６６は、圧力信号からベルト８４に作用している圧力を検出して、ベルト８４がユーザに装着されているか、または、装着されていないかを判定する。判定部６６は、ベルト８４が装着されていると判定すると、右加速度信号及び左加速度信号に基づいて検出した右足及び左足の上昇、下降、停止を示す右移動信号及び左移動信号を電源制御部６８へと出力する。右移動信号及び左移動信号に上昇、下降の速さを含めてもよい。
【０１１０】
電源制御部６８は、ベルト８４が装着された場合、判定部６６が右加速度信号及び左加速度信号に基づいて検出した右移動信号及び左移動信号によって、電源部２０を制御する。これにより、電源部２０は、ベルト８４が装着された場合に、前右アクチュエータ３０、前左アクチュエータ３６、後右アクチュエータ４２及び後左アクチュエータ４８のいずれかに電力を供給、または、電力の供給を停止する。
【０１１１】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０１１２】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０１１３】
１０  補助用具、１２  前右人工筋肉部、１４  前左人工筋肉部、１６  後右人工筋肉部、１８  後左人工筋肉部、２０  電源部、２２  右検出部、２４  左検出部、２６  装着検出部、２８  制御部、３０  前右アクチュエータ、３２  前右取付部、３４  電力配線、３６  前左アクチュエータ、３８  前左取付部、４０  電力配線、４２  後右アクチュエータ、４４  後右取付部、４６  電力配線、４８  後左アクチュエータ、５０  後左取付部、５２  電力配線、５４  配線、５６  配線、６０  処理部、６２  格納部、６４  取得部、６６  判定部、６８  電源制御部、８０  シャツ、８２  ズボン、８４  ベルト、８６  バックル、８８  ポケット、１１０  アクチュエータ、１２０  電源、１２２、１２４  電極、１２６  エラストマー、１３０  スイッチ、１３２  制御部、１５０  等方性エラストマー、１５２、１７０、１８０、１８４  異方性エラストマー、１５４、１５６  エラストマー、１６０、１６２  応力、１７２  樹脂、１８２、１８６  異方性物質
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図８】
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