介电弹性体驱动系统及介电弹性体驱动方法

技术领域

本发明涉及介电弹性体驱动系统及介电弹性体驱动方法。

背景技术

已提出有一种使用了介电弹性体驱动部的介电弹性体驱动系统，该介电弹性体驱动部具有介电弹性体层和夹着该介电弹性体层的具有挠性的一对电极层(例如，参照专利文献1)。图11示出了现有的介电弹性体驱动系统的一个例子。当从介电弹性体驱动系统X所具有的电源部92向一对电极层912施加电压时，一对电极层912通过库仑力彼此吸引。由此，具有显著的柔性的介电弹性体层911的厚度减少，面方向的尺寸增大。结果，介电弹性体驱动部91变为收缩状态。如果采用预先对介电弹性体驱动部91施以预伸长等方法，则能够任意呈现由施加电压引起的伸长状态和由解除施加电压引起的缩小状态。由此，能够驱动介电弹性体驱动部91。

介电弹性体驱动部91相对于施加电压的伸长速度极快，作为响应性能优异的驱动部而备受瞩目。但是，夹着介电弹性体层911而配置的一对电极层912又电气性地构成了电容。当为了使介电弹性体驱动部91伸长而向一对电极层912施加电压时，在一对电极层912存储了电荷。电容保持着存储了电荷的状态，电荷也不会自然消失。因此存在：由于保持着在一对电极层912存储了电荷的状态，所以阻碍了使介电弹性体驱动部91的收缩速度相较于伸长速度的提高的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-124875号公报。

发明内容

发明要解决的问题

本发明是基于上述情况想出的，其课题是提供一种能够提高响应性能的介电弹性体驱动系统及介电弹性体驱动方法。

用于解决问题的方案

由本发明提供的介电弹性体驱动系统，其特征在于具有：介电弹性体驱动部，其具有介电弹性体层和夹着该介电弹性体层的一对电极层；电源部，其向所述介电弹性体驱动部施加电压；以及电荷去除部，其去除存储在所述介电弹性体驱动部的电荷。

在本发明的优选实施方式中，还具有主开关部，其使所述介电弹性体驱动部与所述电荷去除部的连接通断。

在本发明的优选实施方式中，还具有电源侧开关部，其使所述介电弹性体驱动部与所述电源部的连接通断。

在本发明的优选实施方式中，所述电荷去除部将存储在所述介电弹性体驱动部的电荷转换为热能。

在本发明的优选实施方式中，所述主开关部使所述电荷去除部与将所述电源部和所述介电弹性体驱动部相连的布线路径的连接通断。

在本发明的优选实施方式中，所述主开关部对所述介电弹性体驱动部与所述电源部连接的状态和所述介电弹性体驱动部与所述电荷去除部连接的状态进行切换。

在本发明的优选实施方式中，所述电荷去除部对存储在所述介电弹性体驱动部的电荷进行暂时存储。

在本发明的优选实施方式中，还具有蓄电部，其对暂时存储在所述电荷去除部的电荷进行储备。

在本发明的优选实施方式中，还具有副开关部，其使所述电荷去除部与所述蓄电部的连接通断。

在本发明的优选实施方式中，通过所述介电弹性体驱动部的伸长和收缩来变更所述主开关部的状态，当所述介电弹性体驱动部因被施加电压而伸长时，所述主开关部连接所述介电弹性体驱动部与所述电荷去除部，当所述介电弹性体驱动部因未被施加电压而收缩时，所述主开关部连接所述介电弹性体驱动部与所述电源部。

由本发明的第二方面提供的介电弹性体驱动方法，其特征在于具有：向具有介电弹性体层和夹着该介电弹性体层的一对电极层的介电弹性体驱动部施加电压的工序；停止向所述介电弹性体驱动部施加电压的工序；以及通过电荷去除部去除存储在所述介电弹性体驱动部的电荷的工序。

发明效果

根据本发明能够提高介电弹性体驱动系统的响应性能。

通过参照附图在以下进行的详细的说明，使本发明的其他特征和优点更加清楚。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统的系统结构图。

图2是表示本发明的第一实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统的工作例的系统结构图。

图3是表示本发明的第一实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统的工作例的系统结构图。

图4是表示本发明的第二实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统的系统结构图。

图5是表示本发明的第二实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统的工作例的系统结构图。

图6是表示本发明的第二实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统的工作例的系统结构图。

图7是表示本发明的第二实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统的工作例的系统结构图。

图8是表示本发明的第二实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统的工作例的系统结构图。

图9是表示本发明的第三实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统的系统结构图。

图10是表示本发明的第三实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统的系统结构图。

图11是表示现有的介电弹性体驱动系统的一个例子的系统结构图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行具体说明。

<第一实施方式>

图1表示本发明的第一实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统。本实施方式的介电弹性体驱动系统A1具有：介电弹性体驱动部1、电荷去除部2、主开关部31、开关部33、电源部5以及控制部6。

介电弹性体驱动部1是在介电弹性体驱动系统A1中输出驱动力的部位。介电弹性体驱动部1具有介电弹性体层11和一对电极层12。

介电弹性体层11需要能够弹性变形并且绝缘强度高。这样的介电弹性体层11的材质没有特别限定，但是作为优选例子，可举出例如硅弹性体、丙烯酸弹性体。

一对电极层12夹着介电弹性体层11，由电源部5对其施加电压。电极层12具有导电性，并且由能够随着介电弹性体层11的弹性变形而弹性变形的材质形成。作为这样的材质，可举出向能够弹性变形的主材混入赋予导电性的填料的材质。作为所述填料的优选例子，可举出例如碳纳米管。

介电弹性体驱动部1在没有受到来自外部的外力、约束的情况下，在未被施加来自电源部5的电压的状态下，其为不产生自发的伸长、收缩的自然长度状态，并且在施以外力的情况下，允许介电弹性体层11的弹性变形。当施以来自电源部5的电压时，一对电极层12夹着介电弹性体层11并存储正负电荷。由于这些电荷的库仑力，一对电极层12互相吸引，介电弹性体层11在厚度方向上被压缩。对应该厚度方向的压缩，介电弹性体层11的面方向的尺寸伸长。如此，介电弹性体驱动部1可通过施加电压来进行面方向的尺寸伸长的动作。

此外，作为交替且任意地处于由施加电压引起的伸长状态和作为与之成对的状态的收缩状态的方法，介电弹性体驱动部1的介电弹性体层11也可以是例如预先施以预伸长的结构。介电弹性体驱动部1也可以适当采用用于维持这样的预伸长的支承机构(省略图示)。或者，介电弹性体驱动部1也可以适当采用使介电弹性体层11伸长的弹性构件(省略图示)。

电荷去除部2用于去除存储在介电弹性体驱动部1的一对电极层12的电荷，在图示的例子中，相对于一对电极层12并联连接。电荷去除部2只要是能够发挥去除电荷的功能的结构，则没有特别限定，在本实施方式中由电阻器构成。

电源部5向一对电极层12施加用于驱动介电弹性体驱动部1的电压。电源部5的具体结构没有特别限定，只要是能够根据控制部6的指令在规定的时间向一对电极层12施加规定的电压的结构即可。

主开关部31设置在一对电极层12(介电弹性体驱动部1)与电荷去除部2的导通路径，使一对电极层12(介电弹性体驱动部1)与电荷去除部2的连接通断。主开关部31的具体结构没有特别限定，适当采用进行机械动作的开关机构、晶体管等半导体元件即可。在本实施方式中，主开关部31的通断基于来自控制部6的指令来进行。在本实施方式中，主开关部31构成为使电荷去除部2与将电源部5和介电弹性体驱动部1相连的布线路径的连接通断。

开关部33设置在一对电极层12(介电弹性体驱动部1)与电源部5的导通路径，使一对电极层12(介电弹性体驱动部1)与电源部5的连接通断。开关部33相当于电源侧开关部。此外，在本实施方式中，开关部33执行使电荷去除部2与电源部5的连接通断的功能。开关部33的具体结构没有特别限定，适当采用进行机械动作的开关机构、晶体管等半导体元件即可。在本实施方式中，开关部33的通断基于来自控制部6的指令。

控制部6控制电源部5的电压施加、主开关部31和开关部33的通断动作，从而能够以希望的方式驱动介电弹性体驱动系统A1。控制部6的具体结构没有特别限定，例如包含CPU、存储器等。

另外，电荷去除部2、电源部5、控制部6、主开关部31以及开关部33不限于作为各自独立的器件构成，只要是实现各自的功能的方式，也可以将其中任意几个的构成为一体的器件。例如，电源部5和控制部6可以构成为一体的电源装置。或者，电源部5与电荷去除部2也可以作为一体的器件构成。

接下来，参照图1～图3，在以下对介电弹性体驱动系统A1的工作例进行说明。

在图1所示的状态中，根据控制部6的指令，主开关部31和开关部33变为断开状态。因此，介电弹性体驱动部1、电荷去除部2以及电源部5互相不连接，没有向介电弹性体驱动部1施加电压。在此状态下，不产生使一对电极层12互相吸引的库仑力，介电弹性体驱动部1处于收缩状态。

图2表示根据控制部6的指令，使介电弹性体驱动部1处于伸长状态的情况下的介电弹性体驱动系统A1。根据控制部6的指令，开关部33变为接通状态，一对电极层12(介电弹性体驱动部1)与电源部5连接。另一方面，主开关部31保持断开状态，一对电极层12(介电弹性体驱动部1)与电荷去除部2不连接。在此状态下，根据来自控制部6的指令，从电源部5向一对电极层12施加电压。由此，在一对电极层12存储电荷q1而产生库仑力。结果，介电弹性体层11在厚度方向上收缩且在面方向上伸长，介电弹性体驱动部1处于伸长状态。

图3表示根据控制部6的指令，使处于如图2所示的伸长状态的介电弹性体驱动部1再次处于收缩状态的介电弹性体驱动系统A1。根据控制部6的指令，停止电源部5的电压施加。此外，根据控制部6的指令，开关部33变为断开状态，主开关部31变为接通状态。因此，介电弹性体驱动部1与电源部5间被切断，介电弹性体驱动部1与电荷去除部2连接。由此，存储在一对电极层12的电荷q1成为电流流向电荷去除部2。在本实施方式中，由于电荷去除部2由电阻器构成，所以成为电流的电荷q1在电荷去除部2中转换为热能h1。结果，存储在介电弹性体驱动部1的一对电极层12的电荷q1被电荷去除部2去除。由此，介电弹性体驱动部1迅速恢复为没有施加电压的状态，再次处于收缩状态。

如此，通过根据控制部6的指令适当往复于如图2及图3所示的伸长状态和收缩状态，从介电弹性体驱动系统A1的介电弹性体驱动部1输出驱动力。

接下来对介电弹性体驱动系统A1的作用进行说明。

当向应处于如图2所示的伸长状态的介电弹性体驱动部1施加电压时，在一对电极层12存储电荷q1。由于介电弹性体驱动部1构成了电容，所以存储在一对电极层12的电荷q1不会自然消失。当此电荷q1留存时，使一对电极层12相互吸引的库仑力发挥作用，从而介电弹性体驱动部1能够持续处于伸长状态。因此，即使为了使介电弹性体驱动部1从伸长状态变为收缩状态而停止了电源部5的电压施加，也由于电荷q1的留存而阻碍向收缩状态的迅速转变。

在本实施方式中，介电弹性体驱动部1与电荷去除部2连接。电荷去除部2执行去除存储在介电弹性体驱动部1的电荷q1的功能。因此如图3所示，当停止来自电源部5的电压施加并且由电荷去除部2去除介电弹性体驱动部1的电荷q1时，能够使介电弹性体驱动部1更迅速地从伸长状态向收缩状态转变。因此，能够提高介电弹性体驱动系统A1的响应性能。

此外，介电弹性体驱动系统A1具有主开关部31。在向如图2所示的伸长状态转变时，通过使主开关部31变为断开状态，能够避免向介电弹性体驱动部1施加的电压被施加在电荷去除部2。此外，在向如图3所示的收缩状态转变时，通过使主开关部31变为接通状态，能够连接介电弹性体驱动部1与电荷去除部2，并且通过电荷去除部2去除存储在介电弹性体驱动部1的电荷q1。这些对于提高介电弹性体驱动系统A1的响应性能，同时抑制不必要的损失来讲是优选的。

在本实施方式中，电荷去除部2由电阻器构成。由电阻器构成的电荷去除部2无延迟地将通电后的电流(电荷q1)转换为热能h1。因此，适合利用电荷去除部2来迅速进行介电弹性体驱动部1的电荷q1的去除。

图4～图10表示本发明的其他实施方式。另外在这些图中，对与上述实施方式相同或类似的元件附上与上述实施方式相同的附图标记。

＜第二实施方式＞

图4表示本发明的第二实施方式所涉及的介电弹性体驱动系统。本实施方式的介电弹性体驱动系统A2中，电荷去除部2的结构与上述的介电弹性体驱动系统A1不同，并且还具有副开关部32和蓄电部4。

在本实施方式中，电荷去除部2由电容构成，执行暂时存储从介电弹性体驱动部1去除的电荷的功能。构成电荷去除部2的电容的具体结构没有特别限定。但是，从高效地去除存储在介电弹性体驱动部1的一对电极层12的电荷的观点出发，优选构成电荷去除部2的电容的电容量比介电弹性体驱动部1的电容量充分大。

蓄电部4将暂时存储在电荷去除部2的电荷作为电能进行储备，例如由锂离子电池等二次电池构成。蓄电部4与电荷去除部2连接。另外，在本实施方式中，电荷去除部2也可以执行作为降压电路的功能，其相对于从介电弹性体驱动部1存储电荷时的电压，对向蓄电部4进行储电时的电压进行降压。在此情况下，以使给到蓄电部4的电压为所希望的值的方式，对构成电荷去除部2的电容的电容量进行选择即可。

副开关部32设置在电荷去除部2与蓄电部4的导通路径，使电荷去除部2与蓄电部4的连接通断。副开关部32的具体结构没有特别限定，适当采用进行机械动作的开关机构、晶体管等半导体元件即可。在本实施方式中，副开关部32的通断基于自控制部6的指令。

接下来，参照图4～图8，在以下对介电弹性体驱动系统A2的工作例进行说明。

在如图4所示的状态中，根据控制部6的指令，主开关部31、副开关部32以及开关部33变为断开状态。因此，介电弹性体驱动部1、电荷去除部2、蓄电部4以及电源部5互相不连接，没有向介电弹性体驱动部1施加电压。在此状态下，不产生使一对电极层12互相吸引的库仑力，介电弹性体驱动部1处于收缩状态。

图5表示根据控制部6的指令，介电弹性体驱动部1处于伸长状态的情况下的介电弹性体驱动系统A2。通过控制部6的指令，开关部33变为接通状态，一对电极层12(介电弹性体驱动部1)与电源部5连接。另一方面，主开关部31和副开关部32保持断开状态。在此状态下，根据来自控制部6的指令，从电源部5向一对电极层12施加电压。由此，在一对电极层12存储电荷q1而产生库仑力。结果，介电弹性体层11在厚度方向上收缩且在面方向上伸长，介电弹性体驱动部1处于伸长状态。

图6表示根据控制部6的指令，使处于如图5所示的伸长状态的介电弹性体驱动部1再次处于收缩状态的介电弹性体驱动系统A2。根据控制部6的指令，停止电源部5的电压施加。此外，根据控制部6的指令，开关部33变为断开状态，主开关部31变为接通状态。因此，介电弹性体驱动部1与电源部5间被切断，介电弹性体驱动部1与电荷去除部2连接。由此，存储在一对电极层12的电荷q1成为电流流向电荷去除部2。另外，副开关部32保持断开状态，电荷去除部2与蓄电部4不连接。在本实施方式中，由于电荷去除部2由电容构成，所以成为电流的电荷q1作为电荷q2存储在电荷去除部2。在从介电弹性体驱动部1到电荷去除部2的导通路径的损失为能够忽略的程度的情况下，电荷q1与电荷q2为同等的电荷量。结果，存储在介电弹性体驱动部1的一对电极层12的电荷q1被电荷去除部2去除。由此，介电弹性体驱动部1迅速恢复为未被施加电压的状态，再次处于收缩状态。

图7表示根据控制部6的指令，将存储在电荷去除部2的电荷q2储备到蓄电部4的状态的介电弹性体驱动系统A2。根据控制部6的指令，主开关部31变为断开状态，副开关部32变为接通状态。由此，存储在电荷去除部2的电荷q2成为电流流向蓄电部4。由此，在蓄电部4中储备了与电荷q3相当的电能。另外，电荷q3相较于电荷q2，其电荷量少了相当于从电荷去除部2到蓄电部4的导通路径的损失、蓄电部4的内部损失以及由蓄电部4的蓄电反应导致的损失等。然后，根据介电弹性体驱动系统A2所需要的驱动力的输出要求，再次适当往复于如图5所示的伸长状态以及如图6和图7所示的收缩状态。

图8表示从电荷去除部2向蓄电部4的蓄电的其他例子。在本例中，根据控制部6的指令，副开关部32和开关部33变为接通状态，主开关部31变为断开状态。此外，根据控制部6的指令，从电源部5向介电弹性体驱动部1施加电压。由此，并行地执行从电荷去除部2向蓄电部4的储电处理和介电弹性体驱动部1的伸长动作。即，从电荷去除部2向蓄电部4的储电可以在介电弹性体驱动部1的电压施加状态不变化的停止状态下进行，也可以在介电弹性体驱动部1的电压施加状态变化的工作状态下进行。

利用这样的实施方式也能够提高介电弹性体驱动系统A2的响应性能。由电容构成的电荷去除部2与由电阻器构成的电荷去除部2相同，适合迅速地去除介电弹性体驱动部1的电荷q1。此外，电荷去除部2不是例如将电荷q1转换为热能h1并释放，而是执行将其作为电荷q2存储的功能。因此，能够将用于使介电弹性体驱动部1伸长而投入的电荷q1作为电荷q2再利用，有助于省电。

如图7所示，在本实施方式中，经由副开关部32，电荷去除部2与蓄电部4连接。当在电荷去除部2存储有电荷q2的状态下，副开关部32变为接通状态时，能够将电荷去除部2的电荷q2储备到蓄电部4。一般地，由二次电池构成的蓄电部4与电荷去除部2相比，蓄电量显著地大。另一方面，这样的蓄电部4的蓄电速度与由电容构成的电荷去除部2的蓄电速度相比显著地慢。因此，通过电荷去除部2进行来自介电弹性体驱动部1的电荷q1的去除，能够在以维持高速的介电弹性体驱动部1的收缩状态转变速度的同时，将回收的电荷q2没有剩余地储备到蓄电部4，对于兼顾响应性能的提高和省电化来讲是优选的。

＜第三实施方式＞

图9表示基于本发明的第三实施方式的介电弹性体驱动系统。本实施方式的介电弹性体驱动系统A3在主开关部31的结构和不具有开关部33等方面与介电弹性体驱动系统A1不同，其他结构与介电弹性体驱动系统A1类似。

在本实施方式中，主开关部31构成为对介电弹性体驱动部1与电源部5连接的状态和介电弹性体驱动部1与电荷去除部2连接的状态进行切换。即，在图示的状态下，主开关部31将介电弹性体驱动部1与电源部5连接，并且切断了介电弹性体驱动部1与电荷去除部2的连接。另一方面，当根据控制部6的指令将主开关部31的状态从图示的状态进行切换时，主开关部31使介电弹性体驱动部1与电荷去除部2连接，切断介电弹性体驱动部1与电源部5的连接。另外，主开关部31虽然构成为能切换到介电弹性体驱动部1与电源部5连接的状态和介电弹性体驱动部1与电荷去除部2连接的状态中的任一个，但是也可以构成为除了切换二者之外，还有使介电弹性体驱动部1与电源部5及电荷去除部2均不连接的状态。

利用这样的实施方式也能够提高介电弹性体驱动系统A3的响应性能。此外，也有不需要介电弹性体驱动系统A1的开关部33这一优点。

图10表示基于本发明的第四实施方式的介电弹性体驱动系统。

在本实施方式中，介电弹性体驱动部1安装在一对支承构件71。一对支承构件71例如是圆形的板状构件，各自的大小不同。介电弹性体驱动部1通过安装在一对支承构件71而成为圆台筒状。在一对支承构件71之间，设有弹簧72。弹簧72提供使介电弹性体驱动部1在轴向上伸长的弹力。因此，在不施加来自电源部5的电压的状态下，在介电弹性体驱动部1产生在轴向上伸长的张力。

在上侧的支承构件71安装有连杆73。连杆73随着介电弹性体驱动部1的伸缩与上侧的支承构件71一同上下运动，并将由介电弹性体驱动部1的伸缩引起的动作传递给主开关部31。

主开关部31具有可动单元310以及固定单元311、312。在可动单元310固定有连杆73的一端。因此，可动单元310伴随着连杆73的上下移动而上下移动。此外，可动单元310与介电弹性体驱动部1的内侧的电极层12电连接。固定单元311、312以夹可动单元310的方式互相间隔配置。固定单元311与电源部5连接，固定单元312与电荷去除部2连接。

在图示的状态中，可动单元310与固定单元311接触，介电弹性体驱动部1与电源部5连接。当介电弹性体驱动部1通过来自电源部5的施加电压而在轴向上伸长时，上侧的支承构件71、连杆73以及可动单元310上升。由此，可动单元310从固定单元311离开，与固定单元312接触。结果，介电弹性体驱动部1与电源部5变为非连接(从电源部5电分离)，与电荷去除部2连接。于是，介电弹性体驱动部1的电荷被电荷去除部2去除，介电弹性体驱动部1收缩。由此，上侧的支承构件71、连杆73以及可动单元310下降。由此，可动单元310从固定单元312离开，与固定单元311再次接触。然后，往复进行上侧的支承构件71、连杆73以及可动单元310的上升和下降。

利用本实施方式也能够提高介电弹性体驱动系统A4的响应性能。此外，由于是利用介电弹性体驱动部1的伸长和收缩来变更主开关部31的状态的结构，介电弹性体驱动系统A4能够不使用上述的实施方式的控制部6、振荡器等，而使介电弹性体驱动部1往复进行伸长和收缩的振动动作。

本发明所涉及的介电弹性体驱动系统不限于上述的实施方式。本发明所涉及的介电弹性体驱动系统的各部分的具体结构能够自由进行各种设计变更。