JP2005086981A - Polymer actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧を加えることで伸縮する導電性高分子材料を用いた高分子アクチュエータに関する。 The present invention relates to a polymer actuator using a conductive polymer material that expands and contracts when a voltage is applied.
かかる高分子アクチュエータは、下記特許文献1により公知である。この特許文献1の図7の実施例に示されたものは、コイルスプリングの外周を電解質部を挟んで導電性高分子材料で覆って導電性高分子チューブを構成し、この導電性高分子チューブの導電性高分子材料および電解質部間に電圧を加えることで、導電性高分子チューブをコイルスプリングの軸線に沿う方向に伸縮させて高分子アクチュエータとしての機能を発揮させるようになっている。
ところで、1本の導電性高分子チューブが発生し得る出力は小さいため、多数の導電性高分子チューブを並列に結合して大出力の高分子アクチュエータを得ることが考えられる。この場合、多数の導電性高分子チューブの端部を単に束ねて固定するだけでは信頼性が低く、固定部で導電性高分子チューブが緩んだり傾いたりして出力伝達部材に出力を効果的に伝達できなくなったり、束ねられた多数の導電性高分子チューブの端部の形状が崩れて出力伝達部材に正しく固定できなくなったりする問題がある。 By the way, since the output which one electroconductive polymer tube can generate | occur | produce is small, it is possible to obtain a high output polymer actuator by couple | bonding many electroconductive polymer tubes in parallel. In this case, simply bundling and fixing the ends of a large number of conductive polymer tubes is low in reliability, and the conductive polymer tubes are loosened or tilted at the fixed portions so that the output is effectively transmitted to the output transmission member. There is a problem that transmission cannot be performed, or the shape of the ends of many bundled conductive polymer tubes collapses and cannot be correctly fixed to the output transmission member.
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、高分子アクチュエータの複数の導電性高分子チューブの端部を束ねて締結する際に、その締結部の信頼性を高めることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to increase the reliability of the fastening portions when the ends of a plurality of conductive polymer tubes of a polymer actuator are bundled and fastened.
上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、電圧を加えることで伸縮する導電性高分子材料でコイル部材を覆って導電性高分子チューブを構成し、複数の導電性高分子チューブの端部を芯材の外周を囲むように束ねるととともに、束ねられた複数の導電性高分子チューブの端部の外周を締結リングで締め付けて芯材との間に締結し、その締結部を合成樹脂で固めたことを特徴とする高分子アクチュエータが提案される。 In order to achieve the above object, according to the invention described in claim 1, a conductive polymer tube is formed by covering a coil member with a conductive polymer material that expands and contracts when a voltage is applied. The ends of the conductive polymer tube are bundled so as to surround the outer periphery of the core material, and the outer periphery of the ends of the plurality of bundled conductive polymer tubes are fastened with a fastening ring to be fastened between the core material, A polymer actuator is proposed in which the fastening portion is hardened with a synthetic resin.
また請求項2に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、各々の導電性高分子チューブに通電する電極線を前記合成樹脂の内部に埋設したことを特徴とする高分子アクチュエータが提案される。 According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect, an electrode wire for energizing each conductive polymer tube is embedded in the synthetic resin. An actuator is proposed.
また請求項3に記載された発明によれば、請求項1または請求項2の構成に加えて、束ねられた導電性高分子チューブが貫通する球面ベアリングを締結リングに接するように取り付け、出力伝達部材に形成した球面状座部に前記球面ベアリングを支持したことを特徴とする高分子アクチュエータが提案される。 According to the third aspect of the invention, in addition to the configuration of the first or second aspect, the spherical bearing through which the bundled conductive polymer tube passes is attached so as to contact the fastening ring, and the output is transmitted. A polymer actuator is proposed in which the spherical bearing is supported on a spherical seat formed on a member.
尚、実施例の下部ベース部材44および上部ベース部材46は本発明の出力伝達部材に対応する。
In addition, the
請求項1の構成によれば、芯材の周囲に複数の導電性高分子チューブの端部を束ね、その外周を締結リングで締め付けて締結するので、複数の導電性高分子チューブを整然とした形状に束ねて出力伝達部材に精度良く固定できるだけでなく、その締結部における導電性高分子チューブの捩れ、曲がり等を防止して締結部の信頼性を高め、導電性高分子チューブが発生する出力を効果的に伝達することができる。しかも前記締結部を合成樹脂で固めることにより、導電性高分子チューブの緩みや抜けを防止して信頼性を一層高めることができる。 According to the configuration of claim 1, the ends of the plurality of conductive polymer tubes are bundled around the core material, and the outer periphery thereof is fastened and fastened with the fastening ring, so that the plurality of conductive polymer tubes are in an orderly shape. In addition to being able to bind to the output transmission member with high accuracy, the conductive polymer tube can be prevented from being twisted or bent at the fastening portion to improve the reliability of the fastening portion, and the output generated by the conductive polymer tube can be increased. Can communicate effectively. In addition, by solidifying the fastening portion with a synthetic resin, the conductive polymer tube can be prevented from loosening and coming off, and the reliability can be further enhanced.
請求項2の構成によれば、各々の導電性高分子チューブに通電する電極線を前記合成樹脂の内部に埋設したので、電極線の断線、短絡、接触不良等の発生を防止して信頼性をより一層高めることができる。 According to the configuration of the second aspect, since the electrode wire for energizing each conductive polymer tube is embedded in the synthetic resin, it is possible to prevent the occurrence of disconnection, short circuit, contact failure, etc. of the electrode wire and reliability. Can be further increased.
請求項3の構成によれば、束ねた導電性高分子チューブを締結リングに接する球面ベアリングの内部を貫通させ、この球面ベアリングを出力伝達部材に形成した球面状座部に支持したので、導電性高分子チューブの収縮荷重を締結リングから球面ベアリングを介して出力伝達部材に確実に伝達することができる。しかも導電性高分子チューブの張力で球面状座部に対して球面ベアリングを位置決めすることで、導電性高分子チューブの端部に曲げ荷重が加わるのを防止して出力伝達効率を高めることができる。 According to the configuration of the third aspect, since the bundled conductive polymer tube is passed through the inside of the spherical bearing in contact with the fastening ring, and this spherical bearing is supported by the spherical seat portion formed on the output transmission member, The contraction load of the polymer tube can be reliably transmitted from the fastening ring to the output transmission member via the spherical bearing. Moreover, by positioning the spherical bearing with respect to the spherical seat by the tension of the conductive polymer tube, it is possible to prevent the bending load from being applied to the end of the conductive polymer tube and increase the output transmission efficiency. .
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below based on examples of the present invention shown in the accompanying drawings.
図1〜図8は本発明の一実施例を示すもので、図1は導電性高分子チューブの構造を示す図、図2はアクチュエータエレメントの全体図、図3は図2の3−3線拡大断面図、図4は自動車のサスペンション装置の正面図、図5は車高調整用アクチュエータの縦断面図、図6は図5の6−6線断面図、図7は図5の7部拡大図、図8は前記図5に対応する作用説明図である。 1 to 8 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a view showing a structure of a conductive polymer tube, FIG. 2 is an overall view of an actuator element, and FIG. 3 is a line 3-3 in FIG. FIG. 4 is a front view of a vehicle suspension device, FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a vehicle height adjusting actuator, FIG. 6 is a sectional view taken along line 6-6 in FIG. 5, and FIG. FIG. 8 and FIG. 8 are explanatory diagrams of operations corresponding to FIG.
本実施例は、高分子アクチュエータを自動車のサスペンションの車高調整装置に適用したものであり、まず高分子アクチュエータに使用されるアクチュエータエレメントの構造を図1〜図3に基づいて説明する。 In this embodiment, a polymer actuator is applied to a vehicle height adjustment device for an automobile suspension. First, the structure of an actuator element used in the polymer actuator will be described with reference to FIGS.
高分子アクチュエータに使用する導電性高分子材料は、例えばポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェンおよびこれらの誘導体のうちの一種、あるいは複数種の混合物で構成される。導電性高分子材料を電解液に浸し、導電性高分子材料および電解液にそれぞれプラス電位およびマイナス電位を与えると、導電性高分子材料に電解液中のマイナスイオンが吸収されて膨張し、逆に導電性高分子材料および電解液にそれぞれマイナス電位およびプラス電位を与えると、導電性高分子材料から電解液中のマイナスイオンが放出されて収縮する性質がある。このとき、僅かに1V〜3Vの電圧を加えるだけで導電性高分子材料は15%程度の伸縮率と22MPa程度の出力を発生することができ、かつ0.2秒程度の応答時間で伸長状態および収縮状態を切り替えることができる。 The conductive polymer material used for the polymer actuator is composed of, for example, one or a mixture of polypyrrole, polyaniline, polythiophene and derivatives thereof. When a conductive polymer material is immersed in an electrolytic solution and a positive potential and a negative potential are applied to the conductive polymer material and the electrolytic solution, respectively, negative ions in the electrolytic solution are absorbed and expanded by the conductive polymer material. When a negative potential and a positive potential are applied to the conductive polymer material and the electrolytic solution, negative ions in the electrolytic solution are released from the conductive polymer material and contract. At this time, the conductive polymer material can generate an expansion ratio of about 15% and an output of about 22 MPa by applying a voltage of 1 V to 3 V, and it can be stretched with a response time of about 0.2 seconds. And the contraction state can be switched.
図1に示すように、細い金属線をコイル状に巻いたコイル部材11を導電性高分子材料12で覆うことにより導電性高分子チューブ13を構成する。導電性高分子材料12をコイル部材11と一体化することで、その径方向の伸縮を抑制して軸方向の伸縮を促進することができる。1本の導電性高分子チューブ13が発生する出力には限界があるため、それを複数本束ねてアクチュエータエレメント14を構成する。
As shown in FIG. 1, a
図2および図3に示すように、本実施例のアクチュエータエレメント14は6本の導電性高分子チューブ13…を束ね、その両端部で一体に締結したものである。即ち、アクチュエータエレメント14の端部において、金属等の硬質材料で形成した円柱状の芯材15の外周にゴム等の緩衝材16を被せ、その外周に複数本(実施例では6本)の導電性高分子チューブ13…の端部を束ねた後、それらの外周にゴム等の緩衝材17を介して金属で形成した円筒状の締結リング18を嵌合させる。そして締結リング18を隣接する導電性高分子チューブ13…の間の6カ所で、図3(B)の状態から図3(A)の状態に径方向内側にかしめることにより、芯材15と締結リング18との間に6本の導電性高分子チューブ13…を締結する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
締結リング18をかしめ加工する前に、半球状の球面ベアリング19の中心を貫通する貫通孔19aに、予め6本の導電性高分子チューブ13…を挿通しておく。また締結リング18をかしめ加工する際に、その内側に延びる1本の電極線20を何れか1本の導電性高分子チューブ13に電気的に接続しておく。6本の導電性高分子チューブ13…は相互に接触しているため、1本の電極線20を介して6本の導電性高分子チューブ13に電圧を印加することができる。
Before the fastening
図4は自動車のサスペンション装置を示すもので、車輪31を回転自在に支持するナックル32がサスペンションアーム33を介して車体34に上下動自在に支持されており、サスペンションアーム33および車体34間にコイルスプリング35および車高調整用アクチュエータ36が同軸かつ直列に配置される。またナックル32と車体34とを接続するダンパー37は、下端をナックル32に支持されたシリンダ38と、シリンダ38から上方に突出して車体34に支持されたピストンロッド39とを備える。従って、路面から車輪31に入力された衝撃はコイルスプリング35により緩衝されてダンパー37により減衰され、かつ車高調整用アクチュエータ36の伸縮によって車高調整が行われる。
FIG. 4 shows an automobile suspension device. A
次に、図5〜図7に基づいて車高調整用アクチュエータ36の構造を説明する。
Next, the structure of the vehicle
車高調整用アクチュエータ36は、車体34に固定された有底円筒状の下部ケーシング41と、下部ケーシング41の上端に伸縮自在なブーツ42を介して接続された同直径の上部ケーシング43とを備える。下部ケーシング41の底面に固定された下部ベース部材44から大径ピストン45が上向きに突出し、また上部ケーシング43の底面に固定された上部ベース部材46から同軸に形成された大径シリンダ48が下向きに突出し、この大径シリンダ48の内部に大径ピストン45が摺動自在に嵌合する。
The vehicle
下部ベース部材44および大径ピストン45を貫通する小径シリンダ47に摺動自在に嵌合する小径ピストン49の下端は、コイルスプリング35の上端を支持するスプリングシート40の上面に支持される。大径シリンダ48、上部ベース部材46および上部ケーシング43は、大径ピストン45および大径シリンダ48間に配置されたリターンスプリング50により、大径ピストン45、下部ベース部材44および下部ケーシング41に対して上向きに付勢される。大径ピストン45および大径シリンダ48により区画された第1油室51と、小径シリンダ47および小径ピストン49により区画された第2油室52とは相互に連通しており、第1、第2油室51,52にはオイルが充填される。
The lower end of the
下部ベース部材44および上部ベース部材46が、円周方向に所定間隔で配置された複数本(実施例では20本)のアクチュエータエレメント14…で接続される。下部ベース部材44、下部ケーシング41、ブーツ42、上部ケーシング43、上部ベース部材46、大径ピストン45および大径シリンダ48で区画された電解液室53には電解液が充填されており、電解液室53に収納されたアクチュエータエレメント14…は電解液に接触する。
The
図7に詳細に示すように、上部ベース板46に各アクチュエータエレメント14を固定すべく、その上面から下面に向けて1本の環状溝46a、20個の球面状座部46b…および20個の貫通孔46c…が形成される。アクチュエータエレメント14の6本の導電性高分子チューブ13…が貫通孔46cを緩く貫通した状態で、球面ベアリング19が球面状座部46bに揺動自在に嵌合する。そして導電性高分子チューブ13…に張力を付与することで、球面ベアリング19と球面状座部46bとの間の滑りによりアクチュエータエレメント14が直線状に延びた状態で、環状溝46aに溶融した合成樹脂54を流し込んで硬化させる。
As shown in detail in FIG. 7, in order to fix each
以上、各アクチュエータエレメント14の上端を上部ベース部材46に固定する構造を説明したが、その下端を下部ベース部材44に固定する構造も同一である。但し、アクチュエータエレメント14の下端には電極線20が設けられていない点が異なっている。
The structure for fixing the upper end of each
上部ベース板46の上面に環状の第1電極板55および環状の第2電極板56が同心状に固定される。径方向外側に配置された第1電極板55には、20本のアクチュエータエレメント14…から上方に延びる20本の電極線20…が接続される。また径方向内側に配置された第2電極板56から、90°間隔で配置された4本の白金製の電極棒57…が電解液室53内に延びており、それらの下端は大径シリンダ48の外周に固定した支持部材58に支持される。
An annular
次に、上記構成を備えた第1実施例の作用を説明する。 Next, the operation of the first embodiment having the above configuration will be described.
アクチュエータエレメント14…の導電性高分子チューブ13…に電極線20…を介して接続された第1電極板55をバッテリのマイナス極に接続し、電解液室53内の電解液に浸された電極棒57…に連なる第2電極板56をバッテリのプラス極に接続すると、導電性高分子チューブ13…に吸収されていたマイナスイオンが電解液中に排出されることで、導電性高分子チューブ13…が軸方向に収縮する。すると、図8に示すように、アクチュエータエレメント14…が軸方向に収縮して下部ベース部材44に対して上部ベース部材46が引き下げられるため、大径ピストン45に対して大径シリンダ48が相対的に下降して第1油室51のオイルを第2油室52に押し出すことで、大径ピストン45よりも小径の小径ピストン49が大きなストロークで下部ベース部材44から下方に突出し、上部ベース部材46の上面から小径ピストン49の下端までの距離が増加する。その結果、車体34に対してサスペンションアーム33が押し下げられることで、車高が増加方向に調整される。
The
また各アクチュエータエレメント14が収縮するとき、その収縮荷重が締結リング18から球面ベアリング19を介して下部ベース部材44および上部ベース部材46に伝達されるので、前記収縮荷重を高い信頼性で効率よく伝達することができる。
Further, when each
逆に、第1電極板55をバッテリのプラス極に接続し、第2電極板56をバッテリのマイナス極に接続すると、電解液中のマイナスイオンが導電性高分子チューブ13…に吸収されることで、導電性高分子チューブ13…、即ちアクチュエータエレメント14…が軸方向に伸長する。アクチュエータエレメント14…は引張荷重を伝達するのみで圧縮荷重を伝達できないが、図5に示すように、第1油室51に収納したリターンスプリング50の弾発力で大径ピストン45に対して大径シリンダ48が相対的に上昇して第1油室51の容積が拡大することで、第2油室52の容積を縮小させるべく大径ピストン45よりも小径の小径ピストン49が大きなストロークで下部ベース部材44から上方に退没し、上部ベース部材46の上面から小径ピストン49の下端までの距離が減少する。その結果、車体34に対してサスペンションアーム33が上昇することで、車高が減少方向に調整される。
Conversely, when the
尚、下部ベース部材44に対して上部ベース部材46が昇降すると電解液室53の容積が増減するが、下部ケーシング41および上部ケーシング43を接続するブーツ42が弾性変形することで前記容積の増減を吸収することができる。
When the
このように、本実施例では応答性の高い高分子アクチュエータを車高調整用アクチュエータ36に適用したことで、従来の油圧や空圧を採用した車高調整用アクチュエータ36に比べて速やかな車高調整が可能になるだけでなく、油圧ポンプ、エアーコンプレッサ、アキュムレータ等の大がかりが設備が不要になってコストおよびスペースの削減に寄与することができる。また高分子アクチュエータは1V〜3Vの極めて低い電圧で作動可能であるために消費電力が小さく、しかも騒音を発生しないので静粛な車高調整が可能である。
As described above, in this embodiment, the polymer actuator having high responsiveness is applied to the vehicle
またアクチュエータエレメント14自体も以下のような優れた特性を有している。即ち、6本の導電性高分子チューブ13…の端部を束ねる際に、硬質の芯材15の周囲を囲むように配置した導電性高分子チューブ13…の外周を環状の締結リング18をかしめることで一体に締結するので、6本の導電性高分子チューブ13…を整然とした形状に束ねて下部ベース部材44および上部ベース部材46に精度良く固定できる。しかも締結部における導電性高分子チューブ13…の捩れや曲がりが防止されるので、その出力を下部ベース部材44および上部ベース部材46に効果的に伝達することができる。また前記締結部を合成樹脂54で固めることにより、導電性高分子チューブ13…の緩みや抜けを防止して信頼性を一層高めることができるだけでなく、電極線20…を前記合成樹脂54の内部に埋設したことで、電極線20…の断線、短絡、接触不良等の発生を防止して信頼性をより一層高めることができる。
The
更に、各アクチュエータエレメント14を下部ベース部材44および上部ベース部材46に固定する際に、球面ベアリング19および球面状座部44b,46b間の滑りによりアクチュエータエレメント14の両端部を正しく軸線方向に整列させ、アクチュエータエレメント14が端部付近で屈曲して充分な出力を下部ベース部材44および上部ベース部材46に伝達できなくなる不具合を解消することができる。
Further, when each
以上のように、大径ピストン45および大径シリンダ48で区画した第1油室51と、小径ピストン49および小径シリンダ47で区画した第2油室52とを相互に連通させ、複数本のアクチュエータエレメント14…の伸縮により大径ピストン45および大径シリンダ48を相対移動させることで第1油室51の容積および第2油室52の容積を変化させ、第2油室52の容積変化に伴う小径ピストン49および小径シリンダ47の相対移動を出力として取り出すので、大径ピストン45および小径ピストン49の直径比を変化させることで車高調整用アクチュエータ36に出力ストロークを任意に増加させることができる。
As described above, the
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。 The embodiments of the present invention have been described above, but various design changes can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、実施例ではアクチュエータエレメント14を車高調整用アクチュエータ36に適用しているが、本発明の高分子アクチュエータは他の任意の用途に適用することができる。
For example, although the
また実施例では6本の導電性高分子チューブ13…を束ねてアクチュエータエレメント14を構成しているが、束ねる導電性高分子チューブ13…の本数は任意である。
Further, in the embodiment, the six
11 コイル部材
12 導電性高分子材料
13 導電性高分子チューブ
15 芯材
18 締結リング
19 球面ベアリング
20 電極線
44 下部ベース部材(出力伝達部材)
44b 球面状座部
46 上部ベース部材(出力伝達部材)
46b 球面状座部
54 合成樹脂
11
Claims (3)
A spherical bearing (19) through which the bundled conductive polymer tube (13) passes is attached so as to be in contact with the fastening ring (18), and the spherical seat portion (44b, 46b) formed on the output transmission member (44, 46). The polymer actuator according to claim 1 or 2, wherein the spherical bearing (19) is supported on the polymer actuator.
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