7646989 アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-10

(45)【発行日】2025-03-18

(54)【発明の名称】アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20250311BHJP

【ＦＩ】

H02N11/00 Z

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020091832

(22)【出願日】2020-05-27

(65)【公開番号】P2021191048

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-03-22

【審判番号】

【審判請求日】2023-12-06

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】504180239

【氏名又は名称】国立大学法人信州大学

(73)【特許権者】

【識別番号】518385899

【氏名又は名称】ＡｓｓｉｓｔＭｏｔｉｏｎ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】橋本 稔

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 彩

(72)【発明者】

【氏名】鉄矢 美紀雄

【合議体】

【審判長】河本 充雄

【審判官】三浦 みちる

【審判官】松永 稔

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１０８６０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０３８２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０５７３４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７１２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１５４４４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H02N 11/00

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ゲル状のポリ塩化ビニルでシート状に形成された誘電体シートと、前記誘電体シートの両面にそれぞれ配設された可撓性を有するシート状の電極とを備え、前記各電極を介して前記誘電体シートに電圧を供給したときに前記誘電体シートが面方向に伸長するアクチュエータであって、
難撓性を有する材料で線状または帯状に形成されると共に前記誘電体シートの少なくとも一方の面における一の方向に延在するように当該少なくとも一方の面と前記電極との間に配置されて当該誘電体シートの当該一の方向への伸長を規制する規制部材が当該少なくとも一方の面における当該一の方向と交差する交差方向に沿って間隔を空けて複数並設されていることを特徴とするアクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘電体シートの両面に配設された電極を介して誘電体シートに電圧を供給したときに誘電体シートが面方向に伸長するアクチュエータに関するものである。

【背景技術】

【0002】

この種のアクチュエータとして、出願人は、下記特許文献１において誘電アクチュエータを開示している。この誘電アクチュエータは、誘電体シートとしてのＰＶＣゲルシートと、ＰＶＣゲルシートの両面に設けた柔軟性を有する電極とを備えて構成され、電極を介してＰＶＣゲルシートに電圧を供給したときに面方向に伸長し、電圧の供給を停止したときに初期状態に復帰する。つまり、この誘電アクチュエータは、電圧の供給および供給停止に伴って面方向に伸縮動作を行うように構成されている。また、この誘電アクチュエータでは、ＰＶＣゲルシートの代わりに誘電エラストマーを用いた誘電アクチュエータと比較して、電圧を印加する前後における電極の面積の差と電圧を印加しない状態における電極の面積との比率（伸縮率）が大きく、印加電圧が３０００Ｖのときに１２％の伸縮率を得ることが可能となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１０８６０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、上述した誘電アクチュエータには、解決すべき以下の課題がある。具体的には、上述したＰＶＣゲルシートを用いた誘電アクチュエータでは、誘電エラストマーを用いた誘電アクチュエータと比較して大きな伸縮率を得ることができるものの、１２％の伸縮率を得るのに３０００Ｖの電圧を印加する必要がある。一方、この種の誘電アクチュエータは、その柔軟性を生かして、人が装着する機器等への応用が期待されている。このような機器への応用を実現するためには、電圧の低電圧化および大きな伸縮率の発生が必要である。しかしながら、上述した誘電アクチュエータでは、３０００Ｖという高電圧を印加する必要があり、また伸縮率も１２％と十分ではないため、低電圧化および伸縮率の増大が望まれている。

【0005】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、低電圧化および伸縮率の増大を実現し得るアクチュエータを提供することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成すべく請求項１記載のアクチュエータは、ゲル状のポリ塩化ビニルでシート状に形成された誘電体シートと、前記誘電体シートの両面にそれぞれ配設された可撓性を有するシート状の電極とを備え、前記各電極を介して前記誘電体シートに電圧を供給したときに前記誘電体シートが面方向に伸長するアクチュエータであって、難撓性を有する材料で線状または帯状に形成されると共に前記誘電体シートの少なくとも一方の面における一の方向に延在するように当該少なくとも一方の面と前記電極との間に配置されて当該誘電体シートの当該一の方向への伸長を規制する規制部材が当該少なくとも一方の面における当該一の方向と交差する交差方向に沿って間隔を空けて複数並設されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係るアクチュエータによれば、誘電体シートにおける一の方向に延在する規制部材を一の方向と交差する交差方向に沿って複数並設したことにより、誘電体シートの一の方向の伸縮を規制し、これによって誘電体シートの交差方向の伸縮率を十分に高めることができる。このため、このアクチュエータによれば、従来のアクチュエータと比較して、電圧が低い場合であっても、十分な伸縮率を確保することができる結果、低電圧化および伸縮率の増大を実現することができる。

【0013】

また、このアクチュエータによれば、誘電体シートに一の方向の予歪を付与したことにより、誘電体シートにおける一の方向の伸縮をより確実に規制すことができるため、誘電体シートの交差方向の伸縮率をさらに高めることができる結果、さらなる低電圧化および伸縮率のさらなる増大を実現することができる。

【0014】

また、このアクチュエータによれば、誘電体シートの両面に規制部材をそれぞれ複数並設したことにより、誘電体シートにおける一の方向の伸縮をより確実に規制することができるため、誘電体シートの交差方向の伸縮率をさらに高めることができる結果、さらなる低電圧化および伸縮率のさらなる増大を実現することができる。

【0015】

また、このアクチュエータによれば、規制部材を紙で形成したことにより、十分な難撓性を有する規制部材を軽量に形成することができるため、アクチュエータの軽量化を実現することができる。

【0016】

また、このアクチュエータによれば、導電性オイルコンパウンドで電極を形成したことにより、導電性オイルコンパウンドを誘電体シートの表面に塗布することで電極を形成することができるため、電極を予め別工程で作製する構成と比較して、アクチュエータの製造工程を簡略化することができる。

【0017】

また、このアクチュエータによれば、ゲル状のポリ塩化ビニルと粉末カーボンとの混合物で電極を形成したことにより、予め作製した電極を誘電体シートの各面に配設することができるため、誘電体シートの表面に電極材料を塗布することによって電極を形成する構成と比較してアクチュエータの製造時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】アクチュエータ１０の平面図である。

【図2】アクチュエータ１０の構成を示す構成図である。

【図3】ＰＶＣ溶液作製工程５０のフローチャートである。

【図4】アクチュエータ組立工程６０のフローチャートである。

【図5】アクチュエータ１０の製造方法を説明する第１の説明図である。

【図6】アクチュエータ１０の製造方法を説明する第２の説明図である。

【図7】アクチュエータ１０の製造方法を説明する第３の説明図である。

【図8】アクチュエータ１０の製造方法を説明する第４の説明図である。

【図9】アクチュエータ１０の製造方法を説明する第５の説明図である。

【図10】アクチュエータ１０の製造方法を説明する第６の説明図である。

【図11】特性試験の結果を示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明に係るアクチュエータの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

【0020】

最初に、図１に示すアクチュエータ１０の構成について説明する。アクチュエータ１０は本発明に係るアクチュエータの一例であって、図１，２に示すように、ＰＶＣゲルシート２１と、ＰＶＣゲルシート２１の両面にそれぞれ配設されたシート状の一対の電極２２と、帯状（線状または帯状の一例）に形成されてＰＶＣゲルシート２１の両面（少なくとも一方の面の一例）に配設された複数の規制部材２３とを備えて全体として帯状（長方形）に形成されている。

【0021】

ＰＶＣゲルシート２１は、本発明における誘電体シートの一例であって、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）および可塑剤を含有して構成され、誘電性を有すると共に常温においてゲル状態を呈している。このＰＶＣゲルシート２１は、電圧の供給によって変形する特性を有している。また、ＰＶＣゲルシート２１は、図１，２に示すように、長方形（帯状）のシート状に形成されている。

【0022】

電極２２は、図１，２に示すように、長方形（帯状）のシート状に形成されて、導電性を有すると共に可撓性を有している。本実施例では、電極２２は、シリコーンオイルにカーボンを配合した導電性オイルコンパウンドをＰＶＣゲルシート２１の両面に塗布することによって形成される。

【0023】

規制部材２３は、難撓性を有する材料で形成されている。本実施例では、規制部材２３は、紙で形成されている。また、規制部材２３は、図１，２に示すように、帯状（線状または帯状の一例）に形成されてＰＶＣゲルシート２１の両面におけるＰＶＣゲルシート２１の幅方向（一の方向の一例）に延在するようにして、ＰＶＣゲルシート２１の長さ方向（一の方向に交差（この例では直交）する交差方向の一例）に沿って複数並設されている。

【0024】

このアクチュエータ１０では、各電極２２を介してＰＶＣゲルシート２１に電圧を供給しているときにＰＶＣゲルシート２１が面方向に伸長するように変形すると共に、ＰＶＣゲルシート２１に対する電圧の供給を停止したときにＰＶＣゲルシート２１の復元（変形の解除）による力を伴ってＰＶＣゲルシート２１が面方向に収縮し、ＰＶＣゲルシート２１の変形に伴って発生する力を駆動力として出力することが可能となっている。また、このアクチュエータ１０では、難撓性を有する複数の規制部材２３がＰＶＣゲルシート２１の幅方向に延在するように配置されているため、ＰＶＣゲルシート２１の幅方向の伸縮が規制されている。このため、このアクチュエータ１０では、ＰＶＣゲルシート２１の幅方向の伸縮が規制される分、ＰＶＣゲルシート２１全体の伸縮量が長さ方向に集中し、この結果、規制部材２３を設けていない構成と比較して、ＰＶＣゲルシート２１が長さ方向に大きく伸縮する。

【0025】

次に、アクチュエータ１０の製造方法について説明する。

【0026】

最初に、ＰＶＣゲルシート２１の材料となるＰＶＣ溶液の作製方法を、図３に示すＰＶＣ溶液作製工程５０のフローチャートを参照して説明する。このＰＶＣ溶液作製工程５０では、まず、溶剤（一例として、テトラヒドロフラン）を計量して、攪拌容器に投入する（ステップ５１）。溶剤は、ポリ塩化ビニル１００重量部に対して６００～１０００重量部の範囲内で用いるのが好ましく、本実施例では、ポリ塩化ビニル１００重量部に対して溶剤を８００重量部用いる。

【0027】

次いで、ポリ塩化ビニルを計量して、溶剤が投入されている攪拌容器に攪拌しつつ投入する（ステップ５２）。本実施例では、溶剤８００重量部に対して１００重量部のポリ塩化ビニルを計量して投入する。

【0028】

続いて、ポリ塩化ビニルと溶剤とが十分に混合（溶解）した状態で、可塑剤を計量して、ポリ塩化ビニルおよび溶剤が投入されている攪拌容器に攪拌しつつ投入する（ステップ５３）。この場合、各種の可塑剤を用いることができるが、本実施例では、アジピン酸ジブチル（ＤＢＡ）を用いる。また、可塑剤は、ポリ塩化ビニル１００重量部に対して１００～５００重量部の範囲内で用いるのが好ましく、本実施例では、ポリ塩化ビニル１００重量部に対して可塑剤を４００重量部用いる。次いで、ポリ塩化ビニル、溶剤および可塑剤（これらの混合物）が収容された攪拌容器を脱泡装置にセットして脱泡処理を実行する（ステップ５４）。以上により、ＰＶＣ溶液の作製が完了する。

【0029】

続いて、アクチュエータ１０の組立方法を、図４に示すアクチュエータ組立工程６０のフローチャートを参照して説明する。このアクチュエータ組立工程６０では、まず、図５に示すように、ＰＶＣ溶液２００をガラス板上に塗布し成膜機（アプリケータ）を用いて、ガラス板上でＰＶＣ溶液２００を薄膜化し、次いで、インキュベータに保管して２０℃で５日間乾燥させる。これにより、ガラス板１００上にＰＶＣゲルシート２１が形成される（ステップ６１）。

【0030】

続いて、図６に示すように、カッターを用いてガラス板上のＰＶＣゲルシート２１を、所定の形状（一例として、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍの長方形）に切り出す（ステップ６２）。次いで、図７に示すように、切り出したＰＶＣゲルシート２１をガラス板上に載置し、続いて、ＰＶＣゲルシート２１を幅方向（同図における左右方向）に引っ張ることによって幅方向に予歪（プレストレイン）を付与する（ステップ６３）。この実施例では、引っ張り前の幅（この例では、２０ｍｍ）に対して１５０％（この例では、３０ｍｍ）の予歪を付与する（つまり、幅が５０ｍｍとなるまで引っ張る）。

【0031】

次いで、規制部材２３を取り付ける（ステップ６４）。具体的には、図８に示すように、ＰＶＣゲルシート２１における一方の面の幅方向に延在するようにして、複数の規制部材２３を長さ方向（同図における上下方向）に等間隔で配置する。この場合、一例として、幅２ｍｍ、長さ５０ｍｍの帯状に切断した厚み７０μｍの上質紙を規制部材２３として用いる。続いて、規制部材２３の両端部とＰＶＣゲルシート２１の幅方向の縁部とを粘着テープ３００で固定する。次いで、ＰＶＣゲルシート２１を反転し、上述した手順でＰＶＣゲルシート２１における他方の面に複数の規制部材２３を配置して粘着テープ３００で固定する。続いて、図９に示すように、規制部材２３を取り付けたＰＶＣゲルシート２１を所定の形状（一例として、幅２５ｍｍ、長さ４０ｍｍの長方形）に切り出す（ステップ６５）。

【0032】

次いで、電極２２を形成する（ステップ６６）。具体的には、図１０に示すように、ＰＶＣゲルシート２１および規制部材２３における一方の面を覆うように導電性オイルコンパウンドを塗布し、導電性オイルコンパウンドの流動性が低下するまで放置する。これにより、一方の面に電極２２が形成される。続いて、一方の面に電極２２が形成されたＰＶＣゲルシート２１および規制部材２３を反転し、他方の面を覆うように導電性オイルコンパウンドを塗布し、導電性オイルコンパウンドの流動性が低下するまで放置する。これにより、他方の面に電極２２が形成される。次いで、各電極２２に図外のリード線をそれぞれ接続する（ステップ６７）。以上によりアクチュエータ組立工程６０が終了してアクチュエータ１０が完成する。

【0033】

次に、本発明に係るアクチュエータの特性試験の結果について説明する。

【0034】

特性試験では、上述した製造方法で製造したアクチュエータ１０を実施例１とした。また、上述したアクチュエータ組立工程６０において予歪を７０％として製造したアクチュエータ１０を実施例２とした。また、規制部材２３を配設せず、かつ予歪を付与していないアクチュエータ１０を比較例１とした。

【0035】

また、この特性試験では、実施例１，２および比較例１の各アクチュエータ１０の各電極２２を介してＰＶＣゲルシート２１に対して電圧を供給したときのＰＶＣゲルシート２１の長さ方向の伸縮率を電圧値を変更しつつ測定した。この場合、電圧を供給していない初期状態におけるＰＶＣゲルシート２１の長さをＬ０とし、電圧を供給したときのＰＶＣゲルシート２１の長さをＬ１としたときに、（Ｌ１－Ｌ０）／Ｌ０で表される値（％）を伸縮率とした。また、実施例１および実施例２におけるＬ０，Ｌ１は、規制部材２３が配置されていない部分（伸縮に寄与している部分）のみの長さとした。

【0036】

特性試験の結果を図１１に示す。同図から、紙製の規制部材２３を配設して１５０％の予歪を付与した実施例１のアクチュエータ１０、および紙製の規制部材２３を配設して７０％の予歪を付与した実施例２のアクチュエータ１０は、規制部材２３を配設せず、かつ予歪を付与していない比較例１のアクチュエータ１０をと比較して、同じ電圧値における伸縮率が十分に大きいことが明らかである。つまり、規制部材２３を配設して予歪を付与することで、十分な低電圧化および伸縮率の十分な増大を実現可能なことが明らかである。

【0037】

また、特性試験の追加試験として、紙製の規制部材２３を配設して予歪を付与していないアクチュエータ１０を実施例３とし、直径７０μｍの樹脂ファイバーで形成された規制部材２３を配設して７０％の予歪を付与したアクチュエータ１０を実施例４として、各アクチュエータ１０におけるＰＶＣゲルシート２１の長さ方向の伸縮率を電圧値を変更しつつ測定した（図示を省略する）。これら実施例３，４のアクチュエータ１０では、比較例１のアクチュエータ１０と比較して、同じ電圧値における伸縮率が十分に大きかったものの、実施例１，２のアクチュエータ１０と比較すると、同じ電圧値における伸縮率は小さかった。

【0038】

このように、このアクチュエータ１０によれば、ＰＶＣゲルシート２１の幅方向に延在する規制部材２３を長さ方向に沿って複数並設したことにより、ＰＶＣゲルシート２１の幅方向の伸縮を規制し、これによってＰＶＣゲルシート２１の長さ方向の伸縮率を十分に高めることができる。このため、このアクチュエータ１０によれば、従来のアクチュエータと比較して、電圧が低い場合であっても、十分な伸縮率を確保することができる結果、低電圧化および伸縮率の増大を実現することができる。

【0039】

また、このアクチュエータ１０によれば、ＰＶＣゲルシート２１に予歪を付与したことにより、ＰＶＣゲルシート２１における幅方向の伸縮をより確実に規制すことができるため、ＰＶＣゲルシート２１の長さ方向の伸縮率をさらに高めることができる結果、さらなる低電圧化および伸縮率のさらなる増大を実現することができる。

【0040】

また、このアクチュエータ１０によれば、ＰＶＣゲルシート２１の両面に規制部材を複数並設したことにより、ＰＶＣゲルシート２１における幅方向の伸縮をより確実に規制することができるため、ＰＶＣゲルシート２１の長さ方向の伸縮率をさらに高めることができる結果、さらなる低電圧化および伸縮率のさらなる増大を実現することができる。

【0041】

また、このアクチュエータ１０によれば、規制部材２３を紙で形成したことにより、十分な難撓性を有する規制部材を軽量に形成することができるため、アクチュエータ１０の軽量化を実現することができる。

【0042】

また、このアクチュエータ１０によれば、導電性オイルコンパウンドで電極２２を形成したことにより、導電性オイルコンパウンドをＰＶＣゲルシート２１の表面に塗布することで電極２２を形成することができるため、電極２２を別工程で作製してＰＶＣゲルシート２１の両面に配設する構成と比較して、アクチュエータ１０の製造工程を簡略化することができる。

【0043】

なお、上述したアクチュエータ１０は、本発明に係るアクチュエータの一例であって、適宜変更した構成を採用することができる。例えば、上述したアクチュエータ１０では、ＰＶＣゲルシート２１の両面に規制部材２３が配設されているが、ＰＶＣゲルシート２１におけるいずれか一方の面にのみ規制部材２３が配設されている構成を採用することもできる。また、上述したアクチュエータ１０は、ＰＶＣゲルシート２１を１つだけ備えて構成されているが、複数のＰＶＣゲルシート２１と各ＰＶＣゲルシート２１の両面に配設した電極２２とを備え、一つ以上のＰＶＣゲルシート２１における少なくとも一方の面に規制部材２３を配設した構成を採用することもできる。

【0044】

また、上述したアクチュエータ１０では、導電性オイルコンパウンドで形成した電極２２を採用しているが、ゲル状のポリ塩化ビニルと粉末カーボンとの混合物でシート状に形成した電極２２を採用することもできる。この構成によれば、予め作製した電極２２をＰＶＣゲルシート２１の各面に配設することができるため、ＰＶＣゲルシート２１の表面に電極材料を塗布することによって電極２２を形成する構成と比較してアクチュエータ１０の製造時間を短縮することができる。

【0045】

また、上述したアクチュエータ１０の構成では、アクチュエータ１０を構成するＰＶＣゲルシート２１および電極２２がそれぞれ長方形に形成されているが、ＰＶＣゲルシート２１および電極２２を他の平面視形状（例えば、円形、楕円形、四角形以外の多角形）に形成する構成を採用することもできる。

【0046】

また、上述したアクチュエータ１０では、幅方向を一の方向として規定し、幅方向に直交する長さ方向を交差方向として規定して規制部材２３を配置したが、一の方向および交差方向は任意に規定することができる。例えば、幅方向に対して任意の角度（例えば、３０°）傾斜する方向を一の方向として規定し、その一の方向に対して任意の角度（例えば、４５°）傾斜する方向を交差方向として規定することもできる。

【符号の説明】

【0047】

１０ アクチュエータ
２１ ＰＶＣゲルシート
２２ 電極
２３ 規制部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】