(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなる伸縮層が厚み方向に３層以上積層された伸縮部と、各伸縮層の厚み方向の両面にそれぞれ設けられ伸縮層の伸縮を許容するように変形可能な複数の電極と、各電極に接続する電圧極性を選択する電源制御部とを備え、伸縮部は電極間に同電圧を印加したときの伸縮率が異なる複数種類の伸縮層を有し、厚み方向において隣り合う伸縮層の間の電極は両伸縮層で共用され、電源制御部は、伸縮率の異なる伸縮層の種類ごとに両電極に接続する電圧極性を異極性にする状態と両電極に接続する電圧極性を同極性にする状態とが選択可能であり、かつ少なくとも１種類の伸縮層について両電極に接続する電圧極性を異極性にし他の少なくとも１種類の伸縮層について両電極に接続する電圧極性を同極性にすることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記伸縮部が伸縮率の異なる２種類の伸縮層を厚み方向において交互に積層して形成され、前記電源制御部が厚み方向において隣り合う伸縮層のうちの各一方の伸縮層の両電極に接続する電圧極性を異極性にするとともに各他方の伸縮層の両電極に接続する電圧極性を同極性にする２状態を選択することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記伸縮層の伸縮率が伸縮層を形成するベース材料に混入されるフィラにより調節されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記電極が前記伸縮層と同じベース材料に導電性の添加材を添加して形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記電極が前記伸縮層が伸縮する方向を規制する形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなる第１の伸縮層を備えた主伸縮部と、絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなり第１の伸縮層の厚み方向に交差する面内で連続する第２の伸縮層を備えた補助伸縮部と、第１の伸縮層の厚み方向の両面にそれぞれ設けられ第１の伸縮層の伸縮を許容するように変形可能な第１の電極と、第２の伸縮層の厚み方向の両面にそれぞれ設けられ第２の伸縮層の伸縮を許容するように変形可能な第２の電極と、第１および第２の電極に接続する電圧極性を選択する電源制御部とを備え、電源制御部は、第１の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第１の電極に接続する電圧極性を異極性にするとともに第２の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第２の電極に接続する電圧極性を同極性にする状態と、第１の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第１の電極に接続する電圧極性を同極性にするとともに第２の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第２の電極に接続する電圧極性を異極性にする状態とが選択可能であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項７】
前記主伸縮部および前記補助伸縮部が厚み方向において複数層積層され、厚み方向において隣り合う伸縮層の間の電極は両伸縮層で共用されることを特徴とする請求項６記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記第１の電極と前記第２の電極とのうちの少なくとも一方が前記伸縮層の伸縮する方向を規制する形状に形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなる伸縮層の厚み方向の両面に電極を設け、電極間に電圧を印加することによって伸縮層を伸縮させるようにした電歪型のアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなる伸縮層の厚み方向の両面に電極を設け電極間に電圧を印加すると、絶縁材料が分極して電歪が生じるとともに電極間にクーロン力が作用することによって伸縮層の厚み方向に圧縮力が生じ、結果的に伸縮層が厚み方向に交差する面内で伸長することが知られている。つまり、電極間に電圧を印加した状態と印加しない状態との２状態で伸縮層が厚み方向に交差する面内で伸縮するのであって、この伸縮により生じる力を利用するアクチュエータが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したアクチュエータは、電極間に電圧が印加されていない元の位置と、電極間に電圧が印加されている伸縮層が伸長したときの位置との２位置を選択するのみであって、電極間に電圧が印加されていない元の位置に対して伸縮層が収縮した位置を選択することができない。
【０００４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、電圧を印加していない元の位置に対して伸縮層を伸長させることができるのはもちろんのこと、元の位置に対して伸縮層を収縮させることも可能としたアクチュエータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなる伸縮層が厚み方向に３層以上積層された伸縮部と、各伸縮層の厚み方向の両面にそれぞれ設けられ伸縮層の伸縮を許容するように変形可能な複数の電極と、各電極に接続する電圧極性を選択する電源制御部とを備え、伸縮部は電極間に同電圧を印加したときの伸縮率が異なる複数種類の伸縮層を有し、厚み方向において隣り合う伸縮層の間の電極は両伸縮層で共用され、電源制御部は、伸縮率の異なる伸縮層の種類ごとに両電極に接続する電圧極性を異極性にする状態と両電極に接続する電圧極性を同極性にする状態とが選択可能であり、かつ少なくとも１種類の伸縮層について両電極に接続する電圧極性を異極性にし他の少なくとも１種類の伸縮層について両電極に接続する電圧極性を同極性にすることを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記伸縮部が伸縮率の異なる２種類の伸縮層を厚み方向において交互に積層して形成され、前記電源制御部が厚み方向において隣り合う伸縮層のうちの各一方の伸縮層の両電極に接続する電圧極性を異極性にするとともに各他方の伸縮層の両電極に接続する電圧極性を同極性にする２状態を選択することを特徴とする。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記伸縮層の伸縮率が伸縮層を形成するベース材料に混入されるフィラにより調節されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記電極が前記伸縮層と同じベース材料に導電性の添加材を添加して形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記電極が前記伸縮層が伸縮する方向を規制する形状に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項６の発明は、絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなる第１の伸縮層を備えた主伸縮部と、絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなり第１の伸縮層の厚み方向に交差する面内で連続する第２の伸縮層を備えた補助伸縮部と、第１の伸縮層の厚み方向の両面にそれぞれ設けられ第１の伸縮層の伸縮を許容するように変形可能な第１の電極と、第２の伸縮層の厚み方向の両面にそれぞれ設けられ第２の伸縮層の伸縮を許容するように変形可能な第２の電極と、第１および第２の電極に接続する電圧極性を選択する電源制御部とを備え、電源制御部は、第１の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第１の電極に接続する電圧極性を異極性にするとともに第２の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第２の電極に接続する電圧極性を同極性にする状態と、第１の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第１の電極に接続する電圧極性を同極性にするとともに第２の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第２の電極に接続する電圧極性を異極性にする状態とが選択可能であることを特徴とする。
【００１１】
請求項７の発明は、請求項６の発明は、前記主伸縮部および前記補助伸縮部が厚み方向において複数層積層され、厚み方向において隣り合う伸縮層の間の電極は両伸縮層で共用されることを特徴とする。
【００１２】
請求項８の発明は、請求項６または請求項７の発明において、前記第１の電極と前記第２の電極とのうちの少なくとも一方が前記伸縮層の伸縮する方向を規制する形状に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本実施形態は、図１に示すように、厚み方向に外力が作用したときに厚み方向に交差する面内（図示例では直交する面内）で伸縮する弾性材料からなる薄肉の伸縮層１ａ，１ｂを複数層（３層以上であればよいが、図示例では１１層）積層した伸縮部１を備える。各伸縮層１ａ，１ｂは弾性材料であるだけではなく絶縁材料であって、伸縮層１ａ，１ｂに用いる望ましい材料としては、アクリルエラストマ、ポリエチレン、シリコンなどが知られている。この種の材料は、一般に比誘電率εが２．５〜１０程度であり、１０を越えるものもある。各伸縮層１ａ，１ｂの両面にはそれぞれ薄肉の電極２ａ〜２ｄが積層され、厚み方向において隣り合う伸縮層１ａ，１ｂの間の電極２ａ〜２ｄは両伸縮層１ａ，１ｂで共用される。つまり、２つの伸縮層１ａ，１ｂの間には電極２ａ〜２ｄが１層だけ設けられる。電極２ａ〜２ｄは伸縮層１ａ，１ｂの伸縮に追随して変形可能となるように形成される。たとえば、伸縮層１ａ，１ｂとの密着性を高めるためには、伸縮層１ａ，１ｂと同じベース材料に導電性の添加材を添加することによって導電性を付与したものを電極２ａ〜２ｄとして用いるのが望ましい。つまり、伸縮層１ａ，１ｂと電極２ａ〜２ｄに同じベース材料を用いることによって伸縮部１が伸縮しても伸縮層１ａ，１ｂと電極２ａ〜２ｄとの機械的結合強度を維持しやすくなる。導電性の添加材としては、カーボンブラックや金属（金、銀、銅など）粉を用いる。電極２ａ〜２ｄの一部には金属のメッキを施して端子部を形成し、端子部に接合されるリード線を介して電極２ａ〜２ｄに電源制御部３を接続する。電源制御部３については後述する。
【００１４】
従来の技術として説明したように、各伸縮層１ａ，１ｂは厚み方向の両電極２ａ〜２ｄ間に電圧を印加しない状態と電圧を印加する状態とを選択することによって伸縮させることができる。２つの電極２ａ〜２ｄ間に電圧を印加することによって各伸縮層１ａ，１ｂが伸縮するのは以下の理由による。すなわち、伸縮層１ａ，１ｂの厚み方向の両電極２ａ〜２ｄに電圧を印加すると、伸縮層１ａ，１ｂに誘電分極が生じることによって伸縮層１ａ，１ｂの内部にクーロン力が生じていわゆる電歪により伸縮層１ａ，１ｂに圧縮力が生じる。ここに、電極２ａ〜２ｄは伸縮層１ａ，１ｂの伸縮に追随して変形可能となるように形成されているから、電極２ａ〜２ｄ間のクーロン力によって伸縮層１ａ，１ｂに圧縮力が作用するとみなすこともできる。この場合、電極２ａ〜２ｄ間に絶縁材料である伸縮層１ａ，１ｂが介在することにより、伸縮層１ａ，１ｂが介在しない場合に比較してクーロン力は比誘電率倍になる。つまり、比誘電率の比較的大きい材料で伸縮層１ａ，１ｂを形成することによって、伸縮層１ａ，１ｂにより大きな圧縮力を作用させることが可能になる。
【００１５】
さらに具体的に説明する。図３に示すように、１層の伸縮層１′の厚み方向の両面に電極２′を設け、電極２′間に直流電源３′による電圧を印加する場合を例として説明する。いま、伸縮層１′の伸縮が等方的であるものとし、図３（ａ）に示すように電極２′に電圧を印加しない状態での伸縮層１′と両電極２′とを含む厚み寸法をｔとし、図３（ｂ）に示すように直流電源３′によって両電極２′に印加する電圧をＶとすれば、伸縮層１′の厚み方向に作用する圧縮力（圧力）Ｐは次式で表される。
ｐ＝εε0 Ｅ2 ＝εε0 Ｖ2 ／ｔ2 
ただし、εε0 は伸縮層１′の材料の誘電率（ε0 は真空の誘電率、εは比誘電率）、Ｅは電極２′間の電界の強さである。誘電率の単位をＦ／ｍ、電界の強さの単位をＶ／ｍとすれば、圧縮力ｐの単位はＰａになる。上式から明らかなように、伸縮層１′が存在しない場合の圧力（＝ε0 Ｅ2 ）に対して、圧縮力ｐは比誘電率ε倍になる。伸縮層１′に圧縮力ｐが作用することによって伸縮層１′は厚み方向に圧縮され、厚み方向に直交する面内で伸長する。伸縮層１′の厚み方向への圧縮率をΔｚ（＝Δｔ／ｔ：Δｔは厚み方向への圧縮量）、厚み方向に直交する一つの方向の伸長率をΔｘとすると、ΔｘとΔｚとの間には、Δｘ＝０．５・Δｚの関係が成立することが知られている。したがって、ΔｘおよびΔｚは、以下のように表すことができる。
Δｚ＝ｐ／Ｙ＝εε0 Ｖ2 ／Ｙｔ2 
Δｘ＝０．５εε0 Ｖ2 ／Ｙｔ2 
ただし、Ｙは伸縮層１′のヤング率であって単位はＰａである。
【００１６】
ところで、伸縮部１では伸縮率の異なる２種類の伸縮層１ａ，１ｂを厚み方向において交互に積層してあり、伸縮層１ａは伸縮層１ｂよりも伸縮率を大きくしてある。両伸縮層１ａ，１ｂに異なる材料を用いると両伸縮層１ａ，１ｂの伸縮率を異ならせることができるが、両伸縮層１ａ，１ｂに同じベース材料を用いて混入するフィラの種類や量を調節することによっても伸縮率を異ならせることができる。また、各伸縮層１ａ，１ｂの厚み寸法を異ならせると、各伸縮層１ａ，１ｂに対応する電極２ａ〜２ｄ間に印加する電圧が等しくても伸縮量を異ならせることができるから、伸縮層１ａ，１ｂの厚み寸法を異ならせて伸縮率を異ならせることも可能である。
【００１７】
電極２ａ〜２ｄに接続される電源制御部３は、各電極２ａ〜２ｄに接続する電圧極性を制御する。図示例において、電源制御部３は２個の直流電源Ｅ１，Ｅ２と２個のスイッチＳＷ１，ＳＷ２とにより構成される。両スイッチＳＷ１，ＳＷ２は機械スイッチと電子スイッチとのいずれでもよく制御回路４によりオンオフが制御され、両スイッチＳＷ１，ＳＷ２の一方のみをオンにする状態とともにオフにする状態との３状態が選択可能になっている。一方の直流電源Ｅ１の負極は電極２ａ，２ｄに接続され、正極はスイッチＳＷ１を介して電極２ｂ，２ｃに接続される。また、他方の直流電源Ｅ２の負極は電極２ｃ，２ｄに接続され、正極はスイッチＳＷ２を介して電極２ａ，２ｂに接続される。
【００１８】
スイッチＳＷ１がオンであるときにはスイッチＳＷ２はオフであるから、図２（ａ）に示すように、電極２ａ，２ｄが直流電源Ｅ１の負極に接続され、電極２ｂ，２ｃが直流電源Ｅ１の正極に接続される。つまり、電極２ａ，２ｂに接続される電圧極性は異極性であるから電極２ａ，２ｂの間には圧縮力が作用し、同様に、電極２ｃ，２ｄに接続される電圧極性も異極性であるから電極２ｃ，２ｄの間にも圧縮力が作用する。一方、電極２ａ，２ｄに接続される電圧極性は同極性であり、また電極２ｂ，２ｃに接続される電圧極性も同極性であるから、電極２ａ，２ｄの間および電極２ｂ，２ｃの間には圧縮力は作用しない。
【００１９】
ところで、電極２ａ，２ｂ間の伸縮層１ａの分極によってこの伸縮層１ａの電極２ｂ側は負極性であり、また電極２ｃ，２ｄ間の伸縮層１ａの分極によってこの伸縮層１ａの電極２ｃ側も負極性になっている。このことにより、電極２ａ，２ｂ間の伸縮層１ａと電極２ｃ，２ｄ間の伸縮層１ａとの間には反発力が生じることになり、この反発力によって電極２ｂ，２ｃ間の伸縮層１ｂには伸長力が作用する。したがって、スイッチＳＷ１がオンであるときには、伸縮層１ａには圧縮力が作用し、伸縮層１ｂには伸長力が作用することになる。なお、本発明において「圧縮力」は伸縮層１ａ，１ｂの厚みを小さくする向きの力を意味し、「伸長力」は伸縮層１ａ，１ｂの厚みを大きくする向きの力を意味する。
【００２０】
一方、スイッチＳＷ２がオンであるときにはスイッチＳＷ１はオフであるから、図２（ｂ）に示すように、電極２ａ，２ｂが直流電源Ｅ２の正極に接続され、電極２ｃ，２ｄが直流電源Ｅ２の負極に接続される。つまり、スイッチＳＷ１がオンであるときと同様にして、電極２ｂ，２ｃ間の伸縮層１ｂおよび電極２ａ，２ｄ間の伸縮層１ｂに圧縮力が作用し、電極２ａ，２ｂ間の伸縮層１ａおよび電極２ｃ，２ｄ間の伸縮層１ａに伸長力が作用することになる。ただし、本実施形態では伸縮部１を１１層の伸縮層１ａ，１ｂで構成しているから、スイッチＳＷ２がオンであるときに、伸縮部１の厚み方向の両端に位置する伸縮層１ａは厚み方向の一面側にのみ伸縮層１ｂが存在するから、これらの伸縮層１ａには伸長力は作用しない。
【００２１】
上述のようにしてスイッチＳＷ１，ＳＷ２のどちらをオンにするかに応じて、２種類の伸縮層１ａ，１ｂのうちの一方が圧縮され他方が伸長される。いま、伸縮層１ａの伸縮率が伸縮層１ｂの伸縮率よりも大きいとすれば、伸縮層１ａに圧縮力が作用する状態、つまりスイッチＳＷ１がオンのときには、伸縮層１ａ，１ｂの厚み方向に交差する面内において、伸縮層１ｂが収縮する寸法よりも伸縮層１ａが伸長する寸法のほうが大きくなり、伸縮部１の全体としては伸長したことになる。一方、伸縮層１ｂに圧縮力が作用する状態、つまりスイッチＳＷ２がオンのときには、伸縮層１ａ，１ｂの厚み方向に交差する面内において、伸縮層１ａが収縮する寸法よりも伸縮層１ｂが伸長する寸法のほうが小さくなり、伸縮部１の全体としては収縮したことになる。このように、本実施形態の構成ではスイッチＳＷ１，ＳＷ２のどちらがオンであるかによって、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がともにオフである場合に対して伸長だけではなく収縮も可能になるのである。ここにおいて、伸縮層１ａ，１ｂの伸縮による力は基本的には伸縮層１ａ，１ｂの厚み方向に直交する面内で利用しているが、伸縮層１ａ，１ｂの厚み方向において利用する場合でもスイッチＳＷ１，ＳＷ２がともにオフである場合に対して伸縮させることが可能になる。
【００２２】
なお、上述した例では原理説明を簡単にするために、電源制御部３を直流電源Ｅ１，Ｅ２とスイッチＳＷ１，ＳＷ２と制御回路４とで構成した例を示したが、電極２ａ〜２ｄに接続する電圧極性を上述した動作に準じて制御する構成であれば、電源制御部３の構成にとくに制限はない。つまり、各伸縮層１ａ，１ｂには一定電圧を印加しなくてもよく、たとえば電圧を変化させることによって伸縮量を調節する構成も可能である。また、伸縮部１を構成する伸縮層１ａ，１ｂの層数は３層以上であればとくに制限はなく、３層の場合には一方の種類の伸縮層には圧縮力のみが作用し伸長力は作用しないが、他方の種類の伸縮層には伸長力を作用させることができるから、伸縮部１を元の状態に対して伸長させるだけではなく圧縮することも可能になる。また、本実施形態では伸縮部１を伸縮率が異なる２種類の伸縮層１ａ，１ｂにより形成する例を示したが、さらに多種類の伸縮層を積層して伸縮部１を構成することが可能である。この場合に、全種類の伸縮層の両側の電極に接続する電圧極性を異極性または同極性とし、かついずれか１種類の伸縮層の両側の電極に接続する電圧極性は異極性、他のいずれか１種類の伸縮層の両側の電極に接続する電圧極性は同極性となるものが含まれるようにする。
【００２３】
さらに、本実施形態では、電極２ａ〜２ｄのベース材料として伸縮層１ａ，１ｂと同じベース材料を用いる例を示したが、伸縮層１ａ，１ｂの伸縮に追従して変形可能であれば薄肉の金属層で電極２ａ〜２ｄを形成してもよい。また、電極２ａ〜２ｄを伸縮層１ａ，１ｂの厚み方向の各面の全面に亘って形成することを想定しているが、伸縮層１ａ，１ｂの厚み方向の各面内で電極２ａ〜２ｄを複数に分割してもよい。
【００２４】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では電極２ａ〜２ｄが伸縮層１ａ，１ｂの伸縮を規制することなく追従して変形する例を示したが、電極２ａ〜２ｄを形成する形状を適宜に設計することによって、電極２ａ〜２ｄによって伸縮層１ａ，１ｂの伸縮する方向を規制することが可能である。本実施形態では一例として、図４に示すように、伸縮層１ａ，１ｂの厚み方向の各面の面内で電極２ａ〜２ｄを全面に亘って設けるのではなく電極２ａ〜２ｄを面内の一部に設ける例を示す。図示例では電極２ａ〜２ｄが櫛歯状に形成された２個の電極エレメント５からなり、各電極エレメント５が、伸縮層１ａ，１ｂの一辺に沿った背骨部５ａと、背骨部５ａの幅方向の一方の側縁から背骨部５ａの長手方向に略直交する方向に延設された櫛歯部５ｂとを連続一体に備える形状に形成されている。伸縮層１ａ，１ｂの各一面に設けた２個の電極エレメント５の各背骨部５ａは伸縮層１ａ，１ｂの並行する２辺に沿って（ここでは、伸縮層１ａ，１ｂが長方形状であるものとする）設けられる。また、各櫛歯部５ｂは波形に蛇行した形状に形成され、伸縮層１ａ，１ｂの各一面に設けた２個ずつの電極エレメント５における櫛歯部５ｂは互いに他方の電極エレメント５における櫛歯部５ｂの間に挿入されている。
【００２５】
しかして、図４に示した形状の電極２ａ〜２ｄを用いると、櫛歯部５ｂが蛇行した形状に形成され長さ方向の伸縮を許容していることによって、櫛歯部５ｂを蛇行させていない構成と比べると、電極２ａ〜２ｄは、図４の面内において、櫛歯部５ｂの延長方向である上下方向に伸縮しやすくなる。つまり、伸縮部１ａ，１ｂが図４の面内において上下方向と左右方向とに等方的に伸縮するとしても、電極２ａ〜２ｄの幾何学的な形状を適宜に設計することによって、伸縮層１ａ，１ｂの伸縮方向を規制することが可能であり、伸縮層１ａ，１ｂの伸縮方向が規制される方向に比較して規制を受けない方向への伸縮の程度が大きくなり、結果的に電極２ａ〜２ｄに印加する電圧が同じであっても伸縮方向を規制しているほうが、伸縮させようとする方向への伸縮率を大きくすることが可能になる。
【００２６】
なお、本実施形態のように、電極２ａ〜２ｄを複数個の電極エレメント５により構成し、かつ伸縮層１ａ，１ｂの伸縮方向を規制する場合には、電極２ａ〜２ｄは必ずしも伸縮しなくてもよく、たとえば電極２ａ〜２ｄを薄肉の金属によって形成することも可能になる。また、本実施形態では電極２ａ〜２ｄの形状によって伸縮層１ａ，１ｂの伸縮方向を規制する例を示したが、電極２ａ〜２ｄを変形可能な方向に方向性を有する材料を用いることによっても同様に機能させることが可能である。
【００２７】
（第３の実施の形態）
上述した各実施形態は、伸縮率が異なる伸縮層１ａ，１ｂを厚み方向に積層することにより伸縮部１を構成した例を示したが、本実施形態は図５に示すように主伸縮部１１を形成する伸縮層１１ａの側方に伸縮層１１ａと連続する伸縮層１２ａを備えた補助伸縮部１２を設けた例を示す。伸縮層１２ａは伸縮層１１ａと厚み方向が略平行であり、厚み方向での中心を通り厚み方向に直交する平面が共通するように配置されている。ただし、本実施形態では伸縮層１２ａの厚み寸法は伸縮層１１ａよりも小さく設定してある。また、本実施形態では伸縮層１１ａと伸縮層１２ａとの間で段差が生じないように厚み寸法を滑らかに変化させている。
【００２８】
主伸縮部１１の伸縮層１１ａの一面には２個の電極エレメント１３ａ，１３ｂからなる電極１３が設けられ、伸縮層１１ａの他面には２個の電極エレメント１３ｃ、１３ｄからなる電極１３が設けられる。各電極エレメント１３ａ〜１３ｄはそれぞれ櫛歯状に形成される。すなわち、各電極エレメント１３ａ〜１３ｄは、伸縮層１１ａの一辺に沿った背骨部１３ａａ〜１３ｄａと、背骨部１３ａａ〜１３ｄａの幅方向の一方の側縁から背骨部１３ａａ〜１３ｄａの長手方向に略直交する方向に延設された櫛歯部１３ａｂ〜１３ｄｂとを連続一体に備える形状に形成されている。伸縮層１１ａの各一面に設けた２個の電極エレメント１３ａ，１３ｂ、１３ｃ，１３ｄの各背骨部１３ａｂ〜１３ｄｂは伸縮層１１ａの並行する２辺に沿って（ここでは、伸縮層１１ａが長方形状であるものとする）設けられる。また、各櫛歯部１３ａｂ〜１３ｄｂは直線状に形状に形成され、伸縮層１１ａの各一面に設けた２個ずつの電極エレメント１３ａ，１３ｂ、１３ｃ，１３ｄにおける櫛歯部１３ａｂ〜１３ｄｂは互いに他方の電極エレメント１３ａ，１３ｂ、１３ｃ，１３ｄにおける櫛歯部１３ａｂ〜１３ｄｂの間に挿入されている。
【００２９】
伸縮層１１ａの各一面に設けた電極エレメント１３ａ〜１３ｄは背骨部１３ａａ〜１３ｄａおよび櫛歯部１３ａｂ〜１３ｄｂを互いに対向させるように配置される。つまり、電極エレメント１３ａの背骨部１３ａａおよび櫛歯部１３ａｂは、電極エレメント１３ｃの背骨部１３ｃａおよび櫛歯部１３ｃｂに対向し、電極エレメント１３ｂの背骨部１３ｂａおよび櫛歯部１３ｂｂは、電極エレメント１３ｄの背骨部１３ｄａおよび櫛歯部１３ｄｂに対向する。
【００３０】
一方、補助伸縮部１２の伸縮層１２ａの厚み方向の両面のうち、伸縮層１１ａの電極エレメント１３ａ，１３ｂを設けた面に連続する一面には電極１４ａが全面に亘って形成され、伸縮層１１ａの電極エレメント１３ｃ，１３ｄを設けた面に連続する一面には電極１４ｂが全面に亘って形成される。電極１４ａは電極エレメント１３ａと連続一体に形成され、電極１４ｂは電極エレメント１３ｄと連続一体に形成されている。ここに、電極１４ａと電極エレメント１３ａは電気的に接続されていればよく、また電極１４ｂは電極エレメント１３ｄと電気的に接続されていればよい。電極１３，１４ａ，１４ｂについては第１の実施の形態と同様に伸縮層１１ａ，１２ａと同じベース材料のものを用いることができる。
【００３１】
ところで、伸縮部１１および補助伸縮部１２を伸縮させるために、本実施形態では電極１３を構成する４個の電極エレメント１３ａ〜１３ｄに電源制御部１５を接続し、各電極１３，１４ａ，１４ｂに接続する電圧極性を制御する。電源制御部１５は、２個の直流電源Ｅ１１，Ｅ１２と２個のスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２とにより構成される。両スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２は機械スイッチと電子スイッチとのいずれでもよく制御回路１６によりオンオフが制御され、両スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２の一方のみをオンにする状態とともにオフにする状態との３状態が選択可能になっている。一方の直流電源Ｅ１１の負極は電極エレメント１３ａ，１３ｃに接続され、正極はスイッチＳＷ１１を介して電極エレメント１３ｂ，１３ｄに接続される。他方の直流電源Ｅ１２の負極は電極エレメント１３ａ，１３ｄに接続され、正極はスイッチＳＷ１２を介して電極エレメント１３ｂ，１３ｃに接続される。
【００３２】
したがって、スイッチＳＷ１１がオンであるときにはスイッチＳＷ１２はオフであり、伸縮層１１ａを介して対向する電極エレメント１３ａ，１３ｃに接続される電圧極性が同極性になるとともに、電極エレメント１３ｂ，１３ｄに接続される電圧極性の同極性になる。つまり、伸縮層１１ａには圧縮力がほとんど発生しない。一方、伸縮層１２ａを介して対向する電極１４ａ，１４ｂはそれぞれ電極エレメント１３ａ，１３ｄに接続されているから、電極１４ａ，１４ｂに接続される電圧極性は異極性になり、第１の実施の形態において説明したように、伸縮層１２ａに圧縮力が作用する。つまり、補助伸縮部１２の伸縮層１２ａは厚み方向に圧縮され、伸縮層１２ａが主伸縮部１１の伸縮層１１ａに対して厚み方向に直交する方向から外力を作用させる。このことにより、伸縮層１１ａは厚み寸法に直交する方向において圧縮する向きの力を受けるから伸縮層１１ａが厚み寸法を大きくする。すなわち、伸縮層１１ａに着目すれば、伸縮層１１ａの厚み方向に直交する面内での寸法は、両スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２がオフであるときよりも小さくなると言える。
【００３３】
一方、スイッチＳＷ１２がオンであるときにはスイッチＳＷ１１はオフであり、伸縮層１１ａを介して対向する電極エレメント１３ａ，１３ｃに接続される電圧極性および電極エレメント１３ｂ，１３ｄに接続される電圧極性がそれぞれ異極性になる。また、このとき電極１４ａ，１４ｂに接続される電圧極性は同極性になる。したがって、伸縮層１１ａには圧縮力が作用し、伸縮層１２ａには圧縮力が作用しないことになる。つまり、伸縮層１１ａに着目すれば、伸縮層１１ａの厚み方向の寸法は、両スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２がオフであるときよりも小さくなり、厚み方向に直交する面内での寸法は大きくなる。
【００３４】
上述のようにしてスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２のどちらをオンにするかに応じて、並設された伸縮層１１ａ，１２ａのうちの一方のみが圧縮されるのであって、伸縮層１２ａが圧縮されると伸縮層１１ａの厚み寸法が大きくなる。したがって、伸縮層１１ａに着目すれば、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２のどちらをオンにするかに応じて伸縮層１１ａは厚み方向に直交する面内において、両スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２がオフである場合に比較して伸縮することになる。要するに、本実施形態の構成では、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２のどちらがオンであるかによって、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２がともにオフである場合に対して伸長だけではなく収縮も可能になるのである。
【００３５】
図５から明らかなように、本実施形態では、主伸縮部１１および補助伸縮部１２において、伸縮層１１ａ，１２ａに対して電極１３，１４ａ，１４ｂを介して伸縮層１１ａ，１２ａと同材料の保護層１７を積層してある。つまり、保護層１７により電極１３，１４ａ，１４ｂが外部に露出せず保護されることになる。
【００３６】
なお、上述した例では原理説明を簡単にするために、電源制御部１５を直流電源Ｅ１１，Ｅ１２とスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２と制御回路１６とで構成した例を示したが、電極エレメント１３ａ〜１３ｄに接続する電圧極性を上述した動作に準じて制御する構成であれば、電源制御部１５の構成にとくに制限はない。つまり、各伸縮層１１ａ，１２ａには一定電圧を印加しなくてもよく、たとえば電圧を変化させることによって伸縮量を調節する構成も可能である。さらに、本実施形態では、電極１３，１４ａ，１４ｂのベース材料として伸縮層１ａ，１ｂと同じベース材料を用いる例を示したが、伸縮層１１ａ，１２ａの伸縮に追従して変形可能であれば薄肉の金属層で電極１３，１４ａ，１４ｂを形成してもよい。
【００３７】
本実施形態において示した伸縮部１１，１２の位置関係や電極１３，１４ａ，１４ｂは一例であって、所望の出力を得るために伸縮部１１，１２の位置関係や電極１３，１４ａ，１４ｂの形状を適宜に変更することが可能である。たとえば、本実施形態では電極エレメント１３ａ〜１３ｄを櫛歯状に形成していることによって、櫛歯部１３ａｂ〜１３ｄｂの延長方向よりも背骨部１３ａａ〜１３ｄａの延長方向のほうが伸縮しやすくなり、伸縮部１１は図５の左右方向において上下方向よりも大きく伸縮することになる。あるいはまた、図６に示すように、第２の実施の形態で用いた電極２ａ〜２ｄと同様に櫛歯部１３ａｂ〜１３ｄｂを波形に形成すれば、主伸縮部１１の伸縮層１１ａが伸縮する方向を規制することが可能になる。
【００３８】
また、本実施形態では主伸縮部１１および補助伸縮部１２において伸縮層１１ａ，１２ａを１層だけ設けているが、伸縮層１１ａ，１２ａを厚み方向において複数層積層することも可能であり、伸縮層１１ａ，１２ａを複数層設ける場合には、伸縮層１１ａの厚み方向において電極エレメント１３ａ，１３ｂと電極エレメント１３ｃ，１３ｄとを交互に配置すればよい。たとえば、図７に示すように伸縮層１１ａ，１２ａを２層ずつ設ける場合であれば、主伸縮部１１の厚み方向において両側の電極１３としては電極エレメント１３ａ，１３ｂを設け、中央の電極１３としては電極エレメント１３ｃ，１３ｄを設ければよい。したがって当然ながら、補助伸縮部１２の厚み方向における両側には電極１４ａを設け、中央には電極１４ｂを設けることになる。このように伸縮層１１ａ，１２ａを複数層設けると、主伸縮部１１の伸縮によって外部に作用させることができる力が大きくなる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明は、絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなる伸縮層が厚み方向に３層以上積層された伸縮部と、各伸縮層の厚み方向の両面にそれぞれ設けられ伸縮層の伸縮を許容するように変形可能な複数の電極と、各電極に接続する電圧極性を選択する電源制御部とを備え、伸縮部は電極間に同電圧を印加したときの伸縮率が異なる複数種類の伸縮層を有し、厚み方向において隣り合う伸縮層の間の電極は両伸縮層で共用され、電源制御部は、伸縮率の異なる伸縮層の種類ごとに両電極に接続する電圧極性を異極性にする状態と両電極に接続する電圧極性を同極性にする状態とが選択可能であり、かつ少なくとも１種類の伸縮層について両電極に接続する電圧極性を異極性にし他の少なくとも１種類の伸縮層について両電極に接続する電圧極性を同極性にするものであって、伸縮率の異なる複数の伸縮層を含む３層以上の伸縮層を積層して伸縮部を形成し、各伸縮層の両面の電極に接続する電圧極性として異極性と同極性とを同時に選択するので、異極性が選択されている伸縮層には圧縮力が作用し、同極性が選択されている伸縮層のうち両側に異極性が選択されている伸縮層が存在する伸縮層については伸長力が作用する。その結果、伸縮率の大きい伸縮層に圧縮力が作用したときには、伸縮部が全体として伸縮層の厚み方向に交差する面内で伸長したことんなり、伸縮率の大きい伸縮層に伸長力が作用したときには、伸縮部が全体として伸縮層の厚み方向に交差する面内で収縮したことになり、伸縮部を元の状態に対して伸縮させることが可能になる。
【００４０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記伸縮部が伸縮率の異なる２種類の伸縮層を厚み方向において交互に積層して形成され、前記電源制御部が厚み方向において隣り合う伸縮層のうちの各一方の伸縮層の両電極に接続する電圧極性を異極性にするとともに各他方の伸縮層の両電極に接続する電圧極性を同極性にする２状態を選択するものであり、伸縮率の異なる２種類の伸縮層を用いるとともに隣り合う伸縮層の一方に圧縮力が作用し他方に伸長力が作用するようにしているので、２種類の伸縮層のみを考慮すれば目的の仕様を得ることができるように設計することができ、仕様に対応する設計が比較的容易である。
【００４１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記伸縮層の伸縮率が伸縮層を形成するベース材料に混入されるフィラにより調節されているので、異なる伸縮層に同じベース材料を用いることによって、伸縮層ごとに異なるベース材料を用いる場合に比較してコストを低減することができる。
【００４２】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記電極が前記伸縮層と同じベース材料に導電性の添加材を添加して形成されているので、伸縮層に対する電極の密着性がよいという利点がある。
【００４３】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記電極が前記伸縮層が伸縮する方向を規制する形状に形成されているので、伸縮層の伸縮する方向を電極で規制することによって所望の仕様に設計することができる。
【００４４】
請求項６の発明は、絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなる第１の伸縮層を備えた主伸縮部と、絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなり第１の伸縮層の厚み方向に交差する面内で連続する第２の伸縮層を備えた補助伸縮部と、第１の伸縮層の厚み方向の両面にそれぞれ設けられ第１の伸縮層の伸縮を許容するように変形可能な第１の電極と、第２の伸縮層の厚み方向の両面にそれぞれ設けられ第２の伸縮層の伸縮を許容するように変形可能な第２の電極と、第１および第２の電極に接続する電圧極性を選択する電源制御部とを備え、電源制御部は、第１の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第１の電極に接続する電圧極性を異極性にするとともに第２の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第２の電極に接続する電圧極性を同極性にする状態と、第１の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第１の電極に接続する電圧極性を同極性にするとともに第２の伸縮層の厚み方向の両面に設けた各第２の電極に接続する電圧極性を異極性にする状態とが選択可能であることを特徴とするものであり、主伸縮部における第１の伸縮層に厚み方向の圧縮力が作用するときには補助伸縮部は主伸縮部に外力を作用させないから、第１の伸縮層は厚み方向に交差する面内において伸長し、一方、補助伸縮部の第２の伸縮層に厚み方向の圧縮力が作用するときには補助伸縮部が主伸縮部の第１の伸縮層に厚み方向に交差する面内で圧縮力を作用させるから、第１の伸縮層が厚み方向において伸長し、結果的に厚み方向に交差する面内で収縮させることが可能になる。つまり、電源制御部によって第１および第２の電極に接続する電圧極性を選択することによって、第１の伸縮部を元の状態に対して伸縮させることが可能になる。
【００４５】
請求項７の発明は、請求項６の発明は、前記主伸縮部および前記補助伸縮部が厚み方向において複数層積層され、厚み方向において隣り合う伸縮層の間の電極は両伸縮層で共用されるものであり、主伸縮部および補助伸縮部を複数層積層したことによって、外部に取り出される力が比較的大きくなる。
【００４６】
請求項８の発明は、請求項６または請求項７の発明において、前記第１の電極と前記第２の電極とのうちの少なくとも一方が前記伸縮層の伸縮する方向を規制する形状に形成されているので、伸縮層の伸縮する方向を電極で規制することによって所望の仕様に設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上の原理説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における電極のパターンを示す平面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示し、（ａ）は電極のパターンおよび電源制御部を示す図、（ｂ）は断面図である。
【図６】同上の他の構成例における電極のパターンおよび電源制御部を示す図である。
【図７】同上のさらに他の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  伸縮部
１ａ，１ｂ  伸縮層
２ａ〜２ｄ  電極
３  電源制御部
５  電極エレメント
５ａ  背骨部
５ｂ  櫛歯部
１１  主伸縮部
１１ａ  伸縮層
１２  補助伸縮部
１２ａ  伸縮層
１３  電極（第１の電極）
１３ａ〜１３ｄ  電極エレメント
１３ａａ〜１３ｄａ  背骨部
１３ａｂ〜１３ｄｂ  櫛歯部
１４ａ，１４ｂ  電極（第２の電極）
１５  電源制御部
Ｅ１，Ｅ２  直流電源
Ｅ１１，Ｅ１２  直流電源
ＳＷ１，ＳＷ２  スイッチ
ＳＷ１１，ＳＷ１２  スイッチ
【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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