JP2007151249A - Actuator system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子アクチュエータ素子からなるアクチュエータシステムに関するものである。 The present invention relates to an actuator system including polymer actuator elements.
医療機器や産業用ロボット、マイクロマシン等の分野において、小型、軽量で柔軟性に富むアクチュエータが求められており、それに対応すべくそのアクチュエータの作動原理として静電引力型、圧電型、超音波型、形状記憶合金式、高分子伸縮式等が提案されている。 In the fields of medical equipment, industrial robots, micromachines, etc., there is a demand for actuators that are small, light, and flexible, and in order to respond to this, the actuator's operating principle is electrostatic attraction, piezoelectric, ultrasonic, Shape memory alloy type, polymer expansion and contraction type, etc. have been proposed.
このうち、高分子伸縮式としてイオン導電性高分子を用いた高分子アクチュエータは軽量で発生力が大きいこと等から、新しいアクチュエータとして検討されてきている。この高分子アクチュエータは、イオン導電性高分子膜（イオン交換樹脂膜）とその表面に相互に絶縁状態で接合した金属電極とからなり、該イオン導電性高分子膜を含水状態として金属電極間に電圧を印加することによりイオン導電性高分子膜に湾曲または変形を生じさせることを特徴とするものである。 Among these, polymer actuators using ion conductive polymers as a polymer stretchable type have been studied as new actuators because of their light weight and high generated force. This polymer actuator is composed of an ion conductive polymer film (ion exchange resin film) and a metal electrode bonded to the surface in an insulated state, and the ion conductive polymer film is contained in a water-containing state between the metal electrodes. By applying a voltage, the ion conductive polymer film is bent or deformed.
しかし、その動作は基本的に湾曲であり、そのままでは用途が限られていた。そこで、特許文献１では、高分子アクチュエータ素子の板を複数枚使用することによるダイヤフラムポンプが提案されている。また、特許文献２では、アクチュエータ素子の組み合わせにより湾曲の動作を伸縮動作に変換したものが提案されている。
However, the operation is basically curved, and its application is limited as it is. Therefore,
しかしながら、これらの用途は限定されており、高分子アクチュエータ素子の特徴を生かしながら様々な用途で使用するにはまだ十分とは言えず、更なる動作機構の開発が求められていた。 However, these uses are limited, and it is still not sufficient for use in various applications while taking advantage of the characteristics of the polymer actuator element, and further development of an operating mechanism has been demanded.
本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、簡便な構造で直線運動または回転運動し様々な用途に使用できるアクチュエータシステムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide an actuator system that can be used for various purposes by performing a linear motion or a rotational motion with a simple structure.
前記課題を解決するために提供する本発明は、短冊形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両主面それぞれに設けられる電極膜とを有し、平坦面に長手方向の一方の端部が固定されて該平坦面から直立した状態とされ、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、主面上にそれぞれの先端が向く方向が前記高分子アクチュエータ素子の湾曲方向のうち一方向に揃えられた複数の爪部を有し、前記高分子アクチュエータ素子上で前記爪部が該高分子アクチュエータ素子の前記平坦面に固定された端部とは反対側の端部と接するように配置された平板とからなり、前記高分子アクチュエータ素子が電圧印加で湾曲することにより、該高分子アクチュエータ素子の前記平坦面に固定された端部とは反対側の端部が前記平板の爪部を押し、該平板が一方向に直線移動することを特徴とするアクチュエータシステムである（請求項１）。 The present invention provided in order to solve the above problems comprises a strip-shaped ion conductive polymer film impregnated with a cationic substance, and electrode films provided on both main surfaces of the ion conductive polymer film, respectively. And having one end in the longitudinal direction fixed to the flat surface so as to stand upright from the flat surface, and applying a voltage between the electrode films causes the ion conductive polymer film to be curved. A plurality of claw portions in which a direction of each of the molecular actuator elements is directed to one of the bending directions of the polymer actuator element; and the claw portions are arranged on the polymer actuator element. Is composed of a flat plate arranged so as to be in contact with the end opposite to the end fixed to the flat surface of the polymer actuator element, and the polymer actuator element is bent by voltage application, The actuator system is characterized in that the end of the polymer actuator element opposite to the end fixed to the flat surface pushes the claw portion of the flat plate, and the flat plate moves linearly in one direction. Item 1).
ここで、複数の前記高分子アクチュエータ素子が該高分子アクチュエータ素子の湾曲する方向に一列に配置されていることが好ましく、さらに隣接する前記高分子アクチュエータ素子は、交互に、またはお互いの湾曲方向が逆となるように動作することが好適である。 Here, it is preferable that a plurality of the polymer actuator elements are arranged in a line in a direction in which the polymer actuator elements are curved, and the adjacent polymer actuator elements are alternately or in a mutually curved direction. It is preferable to operate in the opposite manner.
また、前記爪部は、短冊形状で前記平板の主面に対して一定の傾斜角度をもって該主面に一端が固定された複数の可撓性フィルムが襞を成すように連なったものであることが好ましい。 Further, the claw portion is formed in a strip shape, and a plurality of flexible films, one end of which is fixed to the main surface at a certain inclination angle with respect to the main surface of the flat plate, are connected so as to form a ridge. Is preferred.
前記課題を解決するために提供する本発明は、棒形状の固定軸と、短冊形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両主面それぞれに設けられる電極膜とを有し、短冊幅方向が前記固定軸の長手方向と平行で長手方向の一方の端部が該固定軸の外周面に固定されて該外周面から直立した状態とされ、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、中空の円筒形状で、円筒内周面にそれぞれの先端が向く方向が該円筒の円周方向のうち一方向に揃えられた複数の爪部を有し、前記固定軸を円筒の中心として内包し前記爪部が前記高分子アクチュエータ素子の前記固定軸の外周面に固定された端部とは反対側の端部と接するように配置された回転体とからなり、前記高分子アクチュエータ素子が電圧印加で湾曲することにより、該高分子アクチュエータ素子の前記固定軸の外周面に固定された端部とは反対側の端部が前記回転体の爪部を押し、該回転体が一方向に回転することを特徴とするアクチュエータシステムである（請求項５）。 The present invention provided to solve the above problems includes a rod-shaped fixed shaft, a strip-shaped ion conductive polymer film impregnated with a cationic substance, and both main surfaces of the ion conductive polymer film. An electrode film provided on the fixed shaft, the strip width direction is parallel to the longitudinal direction of the fixed shaft, and one end in the longitudinal direction is fixed to the outer peripheral surface of the fixed shaft, and is in an upright state from the outer peripheral surface. A polymer actuator element in which the ion conductive polymer film is curved when a voltage is applied between the electrode films, and a hollow cylindrical shape, and a direction in which each tip faces the inner circumferential surface of the cylinder is An end having a plurality of claw portions aligned in one direction of the circumferential direction, including the fixed shaft as a center of a cylinder, and the claw portion fixed to the outer peripheral surface of the fixed shaft of the polymer actuator element Placed so that it touches the end opposite to the And the end of the polymer actuator element opposite to the end fixed to the outer peripheral surface of the fixed shaft is curved by applying voltage to the polymer actuator element. The actuator system is characterized in that the rotating body rotates in one direction by pressing the claw portion of the first embodiment.
ここで、複数の前記高分子アクチュエータ素子が前記固定軸の外周面上で直立して放射状に配置されていることが好ましく、さらに隣接する前記高分子アクチュエータ素子は、交互に、またはお互いの湾曲方向が逆となるように動作することが好適である。 Here, it is preferable that a plurality of the polymer actuator elements are vertically arranged radially on the outer peripheral surface of the fixed shaft, and the adjacent polymer actuator elements are alternately or mutually curved. It is preferable to operate so that is reversed.
また、前記爪部は、短冊形状で前記回転体の内周面に対して一定の傾斜角度をもって該内周面に一端が固定された複数の可撓性フィルムが襞を成すように連なったものであることが好ましい。 Further, the claw portion is formed in a strip shape, and a plurality of flexible films whose one end is fixed to the inner peripheral surface with a certain inclination angle with respect to the inner peripheral surface of the rotating body are connected to form a ridge. It is preferable that
本発明の効果として、請求項１の発明によれば、小型化が容易で、軽量ながら発生力が大きく変形量が大きいという高分子アクチュエータ素子の特長を生かしながら、直線移動するアクチュエータシステムを提供することができる。
また、請求項５の発明によれば、高分子アクチュエータ素子の特長を生かしながら、回転運動するアクチュエータシステムを提供することができる。
またこのとき、複数個の高分子アクチュエータ素子を並列に使用することにより、全体として大きな発生力を得ることができる。また、隣り合う高分子アクチュエータ素子を逆方向に変形させることにより効率良く移動、または回転させることができる。
さらに、このような高分子アクチュエータ素子を使用したアクチュエータシステムは、小型化や薄型化が容易で軽量であり、サイズを小さくしても比較的大きな発生力を得ることができる。
As an effect of the present invention, according to the first aspect of the present invention, there is provided an actuator system that moves linearly while taking advantage of the features of a polymer actuator element that is easy to miniaturize and that is lightweight but has a large generated force and a large amount of deformation. be able to.
According to the invention of claim 5, it is possible to provide an actuator system that rotates while taking advantage of the features of the polymer actuator element.
At this time, a large generation force can be obtained as a whole by using a plurality of polymer actuator elements in parallel. Further, the adjacent polymer actuator elements can be efficiently moved or rotated by deforming in the opposite direction.
Furthermore, an actuator system using such a polymer actuator element can be easily reduced in size and thickness and is lightweight, and a relatively large generating force can be obtained even if the size is reduced.
以下に、本発明に係るアクチュエータシステムの第１の実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明に係るアクチュエータシステムの構成を示す概略図である。
図１に示すように、アクチュエータシステム１００は、短冊形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両主面それぞれに設けられる電極膜とを有し、基準面である平坦面１１に長手方向の一方の端部が固定されて平坦面１１から直立した状態とされ、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲する高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄ上に主面が平坦面１１と平行になるように配置された平板１２と、平板１２の高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄに面する主面上にそれぞれの先端が向く方向が高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄの湾曲方向のうち一方向（図１では左方向）に揃えられた複数の爪部１３とを有しており、爪部１３は高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄの平坦面１１に固定された端部とは反対側の端部と接している。
The configuration of the actuator system according to the first embodiment of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an actuator system according to the present invention.
As shown in FIG. 1, the
ここで、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄはそれぞれの高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄの湾曲する方向に一列に配置されていることが好ましい。また、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄは平坦面１１に対してある角度をもって固定されていてもよい。さらに、図中高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄは４つであるが、高分子アクチュエータ素子の個数は特に限定されるものではなく、１つでもよい。また複数個の高分子アクチュエータ素子を並列に設置してもよい。
Here, the
高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄのうち、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃは電源Ｅ１を共通の電源として、同じ方向を向いている電極膜に同じ極性の電位が印加されるように接続されている。また、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄも電源Ｅ２を共通の電源として、同じ方向を向いている電極膜に同じ極性の電位が印加され、かつ高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃの同じ方向を向いている電極膜に対して逆の極性の電位が印加されるように接続されている。あるいは、後述するような電圧印加方法が可能であれば高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄはそれぞれ独立した電源と接続されていてもよい。
Among the
平板１２は、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄに面する主面について爪部１３が形成できる程度に平坦な面であればよく、図のような一様な厚みの板に限定されない。例えば、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄに面する主面の反対面側は後述する直線移動に伴って該反対面上に搭載した物体を同様に移動させやすいように物体を固定したり保持したりする部位が形成されていてもよい。
The
爪部１３は、短冊形状で平板１２の主面に対して一定の傾斜角度をもって該主面に一端が固定された複数の可撓性フィルムが襞を成すように連なったものであることが好ましい。
The
なお、ここでいう高分子アクチュエータ素子１０は、特許第２９６１１２５号公報、特開平１１−２０６１６２号公報などで開示されている従来公知のものでもよいが、それ以外に例えばつぎのような構成のものを使うとよい。
図２は、本発明で使用する高分子アクチュエータ素子の基本的構成を示す断面図である。
高分子アクチュエータ素子１０は、陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜（イオン導電性高分子フィルム）１と、該イオン導電性高分子膜１の両面それぞれに設けられる電極膜２と、該電極膜２それぞれに電気的に接続されたリード線４とを備え、１対のリード線４より電極膜２間に電圧が印加されることによりイオン導電性高分子膜１が湾曲または変形するものである。
The
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the basic configuration of the polymer actuator element used in the present invention.
The
イオン導電性高分子膜１は、フッ素樹脂、炭化水素系などを骨格としたイオン交換樹脂からなり、表裏２つの主面をもつ形状を呈している。例えば、短冊形状、円盤形状、円柱形状、円筒形状などが挙げられる。また、イオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂、陽イオン交換樹脂、両イオン交換樹脂いずれでもよいが、このうち陽イオン交換樹脂が好適である。
The ion
陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入されたものが挙げられ、とくにフッ素樹脂にスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入された陽イオン交換樹脂が好ましい。 Examples of the cation exchange resin include those in which functional groups such as sulfonic acid groups and carboxyl groups are introduced into polyethylene, polystyrene, fluororesin, and the like. In particular, functional groups such as sulfonic acid groups and carboxyl groups are introduced into fluororesins. Preferred cation exchange resins are preferred.
電極膜２は、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなり、前記カーボン粉末同士がイオン導電性樹脂を介して結合していることを特徴とする。カーボン粉末は、導電性をもつカーボンブラックの微細粉末であり、比表面積が大きなものほど電極膜２としてイオン導電性高分子膜１と接する表面積が大きくなりより大きな変形量を得ることができる。例えばケッチェンブラックが好ましい。また、イオン導電性樹脂は、イオン導電性高分子膜１を構成する材料と同じものでよい。
The
また、電極膜２は、イオン導電性樹脂成分とカーボン粉末を含む塗料がイオン導電性高分子膜１に塗布されてなるものである。あるいは、電極膜２は、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなる導電膜がイオン導電性高分子膜１に圧着されてなるものである。
いずれの方法によっても、簡便に短時間で電極膜２を形成することができる。
The
In any method, the
なお、少なくともイオン導電性高分子膜１に陽イオン物質が含浸されているが、該陽イオン物質とは、水及び金属イオン、水及び有機イオン、イオン液体のいずれかであることが好ましい。ここで、金属イオンとは例えば、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、マグネシウムイオン等が挙げられる。また、有機イオンとは例えば、アルキルアンモニウムイオン等が挙げられる。これらのイオンはイオン導電性高分子膜１中において水和物として存在している。イオン導電性高分子膜１が水及び金属イオン、または水及び有機イオンを含み、含水状態となっている場合には、高分子アクチュエータ素子１０は中からこの水が揮発しないように封止されていることが好ましい。
At least the ion
また、イオン液体とは、常温溶融塩とも言われる不燃性、不揮発性のイオンのみからなる溶媒であり、例えばイミダゾリウム環系化合物、ピリジニウム環系化合物、脂肪族系化合物のものを使用することができる。イオン導電性高分子膜１にイオン液体を含浸させている場合には、揮発する心配なく高温あるいは真空中でも高分子アクチュエータ素子１０を使用することができようになる。
The ionic liquid is a solvent composed only of non-flammable and nonvolatile ions, which is also called a room temperature molten salt. For example, an imidazolium ring compound, a pyridinium ring compound, or an aliphatic compound may be used. it can. When the ion
また、図３に、前記高分子アクチュエータ素子の変形例を示す。
図３は、本発明で使用する別の高分子アクチュエータの基本的構成を示す断面図である。
高分子アクチュエータ素子２０は、上述した高分子アクチュエータ素子１０の１対の電極膜２それぞれの上に金または白金からなる金属導電膜３を備え、該金属導電膜３にリード線４を電気的に接続した構成となっている。ここで、イオン導電性高分子膜１、電極膜２、イオン導電性高分子膜１に含浸させる陽イオン物質は、図２で示したものと同じである。
FIG. 3 shows a modification of the polymer actuator element.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the basic configuration of another polymer actuator used in the present invention.
The
ここで、金属導電膜３は、１対の電極膜２それぞれの上に湿式めっき法、蒸着法、スパッタ法などの従来公知の成膜手法により、金または白金の薄膜が形成されてなるものである。この金属導電膜３の厚さにはとくに制限はないが、リード線４からの電位が電極膜２に均等に印加されるように連続した膜となる程度の厚さであることが好ましい。
Here, the metal conductive film 3 is formed by forming a gold or platinum thin film on each of the pair of
図４に、これらの高分子アクチュエータ素子１０，２０の動作原理を示す。ここでは、イオン導電性高分子膜１中にナトリウムイオンが含浸されているものとして説明する。
図４（ａ）では、電源Ｅよりリード線４を通じて、図中左側の高分子アクチュエータ１０の電極膜２にプラスの電位、図中右側の電極膜２にマイナスの電位を印加している。この電位差により、高分子アクチュエータ素子１０（２０）のイオン導電性高分子膜１中では、マイナスの電位が印加された側（図中右側）の電極膜２にナトリウムイオン水和物が引き寄せられて移動し、当該電極膜２の近傍に集中しこの領域は体積膨張するようになる。一方、プラスの電位が印加された側（図中左側）の電極膜２近傍におけるナトリウム水和物濃度は減少し、この領域は体積収縮するようになる。その結果、イオン導電性高分子膜１の２つの電極膜２近傍領域の間に体積差が生じることとなり、イオン導電性高分子膜１は図中左側に湾曲するようになる。
FIG. 4 shows the operation principle of these
4A, a positive potential is applied from the power source E to the
図４（ｂ）では、２つの電極膜２がショートした状態でつながれることから２つの電極膜２近傍領域で蓄積された電荷に応じて放電が起こる。そして、その結果２つの電極膜２の間に電位差がなくなることから、イオン導電性高分子膜１の２つの電極膜２近傍領域の間に体積差はなくなり、イオン導電性高分子膜１は初期形状状態である真っ直ぐな状態となる。
In FIG. 4B, since the two
図４（ｃ）では、電源Ｅよりリード線４を通じて、図中左側の高分子アクチュエータ素子１０（２０）の電極膜２にマイナスの電位、図中右側の電極膜２にプラスの電位を印加しており、電圧印加方法が図４（ａ）の場合とは逆である。この電位差により、高分子アクチュエータ素子１０（２０）のイオン導電性高分子膜１中では、マイナスの電位が印加された側（図中左側）の電極膜２の近傍領域は体積膨張するようになり、プラスの電位が印加された側（図中右側）の電極膜２近傍領域は体積収縮するようになる。その結果、イオン導電性高分子膜１は図中右側に湾曲するようになる。
In FIG. 4C, a negative potential is applied to the
この高分子アクチュエータ素子１０（２０）の動作原理に基づいて、本発明のアクチュエータシステム１００はつぎのように動作することになる。
図５に、本発明のアクチュエータシステム１００の動作を示す。ここでは、使用する高分子アクチュエータ素子１０（２０）のイオン導電性高分子膜１中にナトリウムイオンが含浸されているものとして説明する。
Based on the operating principle of the polymer actuator element 10 (20), the
FIG. 5 shows the operation of the
図５（ａ）は、図１と同じ状態であり、電源Ｅ１，Ｅ２から高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄへは電圧が印加されていない場合を示している。そのため、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄは図４（ｂ）の場合と同様に、平坦面１１上で直立した状態となっており、平板１２も静止した状態である。
FIG. 5A shows the same state as FIG. 1 and shows a case where no voltage is applied from the power sources E1 and E2 to the
つぎに、図５（ｂ）に示すように、電源Ｅ１，Ｅ２から高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄへ電圧を印加する（電位差０．５〜２．０Ｖ程度）。具体的には、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃの図中左側の電極膜にプラスの電位、図中右側の電極膜にマイナスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃは図４（ａ）と同様に図中左側に湾曲する。一方、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄの図中左側の電極膜にマイナスの電位、図中右側の電極膜にプラスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄは図４（ｃ）と同様に図中右側に湾曲する。すなわち、隣接する高分子アクチュエータ素子の間では同一方向に面する電極膜へ印加される電圧を逆極性とすることにより、隣接する該高分子アクチュエータ素子はお互いの湾曲方向が逆となるように動作する。
Next, as shown in FIG. 5B, a voltage is applied from the power sources E1 and E2 to the
これにより、図中右側に湾曲した高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄの平坦面１１に固定された端部とは反対側の端部は、湾曲変形の初期にそれぞれ爪部１３の１つの先端に当接し、それからさらに湾曲することで該爪部１３を図中右側方向に押すことになる。この押圧力が当該爪部１３を経由して平板１２に伝達され、その結果、平板１２は図中右側方向に直線移動することになる。なお、この際に図中左側に湾曲した高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃは、爪部１３が撓むことからその平坦面１１に固定された端部とは反対側の端部が爪部１３に引っ掛かることなく図中左方向に移動し、平板１２の直線移動を阻害することはない。
As a result, the end opposite to the end fixed to the
ついで、図５（ｂ）の状態による平板１２の直線移動の後、図５（ｃ）に示すように、電源Ｅ１，Ｅ２から高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄへ図５（ｂ）の場合とは各電極膜への電圧印加が逆極性となるように電圧を印加する（電位差０．５〜２．０Ｖ程度）。具体的には、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃの図中左側の電極膜にマイナスの電位、図中右側の電極膜にプラスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃは図４（ａ）の状態（図中左側への湾曲状態）から図４（ｃ）と同様に図中右側に湾曲する。一方、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄの図中左側の電極膜にプラスの電位、図中右側の電極膜にマイナスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄは図４（ｃ）の状態（図中右側への湾曲状態）から図４（ａ）と同様に図中左側に湾曲する。ここでも、隣接する高分子アクチュエータ素子の間では同一方向に面する電極膜へ印加される電圧を逆極性とすることにより、隣接する該高分子アクチュエータ素子はお互いの湾曲方向が逆となるように動作する。
Next, after linear movement of the
これにより、図中右側に湾曲した高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃの平坦面１１に固定された端部とは反対側の端部は、湾曲変形の初期にそれぞれ爪部１３の１つの先端に当接し（図においては高分子アクチュエータ素子１０ｃの端部のみが当接し）、それからさらに湾曲することで該爪部１３を図中右側方向に押すことになる。この押圧力が当該爪部１３を経由して平板１２に伝達され、その結果、平板１２は図中右側方向にさらに直線移動することになる。なお、この際に高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄは、爪部１３が撓むことからその平坦面１１に固定された端部とは反対側の端部が爪部１３に引っ掛かることなく図中左方向に移動し、平板１２の直線移動を阻害することはない。
As a result, the end opposite to the end fixed to the
以降、電源Ｅ１，Ｅ２から印加する電圧の極性を切り替えることにより（あるいは位相のずれた交流電圧の印加により）、図５（ｂ），（ｃ）の状態を交互に繰り返して、平板１２を一方向（図中右方向）に連続して直線移動させることができる。 Thereafter, by switching the polarity of the voltage applied from the power sources E1 and E2 (or by applying an alternating voltage having a phase shift), the state of FIGS. It is possible to move linearly continuously in the direction (right direction in the figure).
なお、図５では隣接する高分子アクチュエータ素子がお互いの湾曲方向が逆となるように動作する場合を示したが、隣接する高分子アクチュエータ素子が交互に動作するようにしてもよい。すなわち、図５（ｂ）の場合に高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃは動作させず、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄのみを動作させ、図５（ｃ）の場合に高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄは動作させず、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃのみを動作させるようにするとよい。
Although FIG. 5 shows the case where the adjacent polymer actuator elements operate so that their bending directions are opposite to each other, the adjacent polymer actuator elements may operate alternately. That is, in the case of FIG. 5B, the
以上のように、いわゆるラチェット機構を応用したアクチュエータシステムにより、重量のある対象物を直線移動させる機構、例えばステージ装置を実現することができる。 As described above, a mechanism that linearly moves a heavy object, such as a stage device, can be realized by an actuator system that applies a so-called ratchet mechanism.
次に、本発明に係るアクチュエータシステムの第２の実施の形態について説明する。
図６は、本発明に係るアクチュエータシステムの第２の実施の形態における構成を示す概略図である。
図６に示すように、アクチュエータシステム３００は、棒形状の固定軸３１と、短冊形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両主面それぞれに設けられる電極膜とを有し、短冊幅方向が固定軸３１の長手方向と平行で長手方向の一方の端部が固定軸３１の外周面に固定されて該外周面から直立した状態とされ、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲する高分子アクチュエータ素子３０ａ,３０ｂ、３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｇと、中空の円筒形状で固定軸３１を円筒の中心として高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈとともに内包する回転体３２と、回転体３２の円筒内周面にそれぞれの先端が向く方向が該円筒の円周方向のうち一方向（図中左回り方向）に揃えられた複数の爪部３３とを有しており、爪部３３は高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈの固定軸３１の外周面に固定された端部とは反対側の端部と接している。
Next, a second embodiment of the actuator system according to the present invention will be described.
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the actuator system according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the
ここで、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈは、図２，図３で示したものと同じである。また、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈはそれぞれが固定軸３１の外周面上で直立して放射状に配置されていることが好ましい。また、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈは外周面に対してある角度をもって固定されていてもよい。さらに、図中高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈは８つの高分子アクチュエータ素子であるが、高分子アクチュエータ素子の個数は特に限定されるものではなく、１つでもよい。また複数個の高分子アクチュエータ素子を固定軸３１の長手方向に並列に設置してもよい。
Here, the
また、図６では表示を省略しているが、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈのうち、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇは１つの電源（仮にＥ３とする）を共通の電源として、固定軸３１内を経由して同じ方向を向いている電極膜に同じ極性の電位が印加されるように接続されている。また、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈも別の１つの電源（仮にＥ４とする）を共通の電源として、同じ方向を向いている電極膜に同じ極性の電位が印加され、かつ高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇの同じ方向を向いている電極膜に対して逆極性の電位が印加されるように接続されている。あるいは、後述するような電圧印加方法が可能であれば高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈはそれぞれ独立した電源と接続されていてもよい。
Although not shown in FIG. 6, among the
回転体３２は、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈに面する内周面について爪部３３が形成できる程度に滑らかな面であればよく、図のような一様な厚みの円筒に限定されない。例えば、回転体３２の外周面側は後述する回転運動に伴って該外周面上に搭載あるいは接した物体を同様に移動させやすいように物体を固定したり保持したりする部位が形成されていてもよい。
The rotating
爪部３３は、短冊形状で回転体３２の内周面に対して一定の傾斜角度をもって該内周面に一端が固定された複数の可撓性フィルムが襞を成すように連なったものであることが好ましい。
The
本発明のアクチュエータシステム３００は前記高分子アクチュエータ素子１０（２０）の動作原理に基づいて、つぎのように動作することになる。
図７に、本発明のアクチュエータシステム３００の動作を示す。ここでは、使用する高分子アクチュエータ素子３０のイオン導電性高分子膜１中にナトリウムイオンが含浸されているものとして説明する。
The
FIG. 7 shows the operation of the
図７（ａ）は、図６と同じ状態であり、電源Ｅ３，Ｅ４から高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈへは電圧が印加されていない場合を示している。そのため、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈは図４（ｂ）の場合と同様に、固定軸３１の外周面上で直立した状態となっており、回転体３２も静止した状態である。
FIG. 7A shows the same state as FIG. 6 and shows a case where no voltage is applied from the power sources E3 and E4 to the
つぎに、図７（ｂ）に示すように、電源Ｅ３，Ｅ４から高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈへ電圧を印加する（電位差０．５〜２．０Ｖ程度）。具体的には、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇの該高分子アクチュエータ素子に対して図中左側の電極膜にプラスの電位、図中右側の電極膜にマイナスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇは図４（ａ）と同様に図中左側（左回り方向）に湾曲する。一方、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈの該高分子アクチュエータ素子に対して図中左側の電極膜にマイナスの電位、図中右側の電極膜にプラスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈは図４（ｃ）と同様に図中右側（右回り方向）に湾曲する。すなわち、隣接する高分子アクチュエータ素子の間では同一方向に面する電極膜へ印加される電圧を逆極性とすることにより、隣接する該高分子アクチュエータ素子はお互いの湾曲方向が逆となるように動作する。
Next, as shown in FIG. 7B, a voltage is applied from the power supplies E3 and E4 to the
これにより、図中右側に湾曲した高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈの固定軸３１の外周面に固定された端部とは反対側の端部は、湾曲変形の初期にそれぞれ爪部３３の１つの先端に当接し、それからさらに湾曲することで該爪部３３を図中右側方向（右回り方向）に押すことになる。この押圧力が当該爪部３３を経由して回転体３２に伝達され、固定軸３１を中心としたモーメント力として作用するため、回転体３２は図中右回り方向に回転運動することになる。なお、この際に図中左側（左回り方向）に湾曲した高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇは、爪部３３が撓むことからその固定軸３１の外周面に固定された端部とは反対側の端部が爪部３３に引っ掛かることなく図中左方向（左回り方向）に移動し、回転体３２の回転運動を阻害することはない。
As a result, the ends opposite to the ends fixed to the outer peripheral surface of the fixed
ついで、図７（ｂ）の状態による回転体３２の回転運動の後、図７（ｃ）に示すように、電源Ｅ３，Ｅ４から高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈへ図７（ｂ）の場合とは各電極膜への電圧印加が逆極性となるように電圧を印加する（電位差０．５〜２．０Ｖ程度）。具体的には、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇの該高分子アクチュエータ素子に対して図中左側の電極膜にマイナスの電位、図中右側の電極膜にプラスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇは図４（ａ）の状態（図中左側への湾曲状態）から図４（ｃ）と同様に図中右側（右回り方向）に湾曲する。一方、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈの該高分子アクチュエータ素子に対して図中左側の電極膜にプラスの電位、図中右側の電極膜にマイナスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈは図４（ｃ）の状態（図中右側への湾曲状態）から図４（ａ）と同様に図中左側（左回り方向）に湾曲する。ここでも、隣接する高分子アクチュエータ素子の間では同一方向に面する電極膜へ印加される電圧を逆極性とすることにより、隣接する該高分子アクチュエータ素子はお互いの湾曲方向が逆となるように動作する。
Next, after the rotational movement of the
これにより、図中右側（右回り方向）に湾曲した高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇの固定軸３１の外周面に固定された端部とは反対側の端部は、湾曲変形の初期にそれぞれ爪部３３の１つの先端に当接し、それからさらに湾曲することで該爪部３３を図中右側方向（右回り方向）に押すことになる。この押圧力が当該爪部３３を経由して回転体３２に伝達され、固定軸３１を中心としたモーメント力として作用するため、回転体３２は図中右回り方向にさらに回転運動することになる。なお、この際に高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈは、爪部３３が撓むことからその固定軸３１の外周面に固定された端部とは反対側の端部が爪部３３に引っ掛かることなく図中左方向（左回り方向）に移動し、回転体３２の回転運動を阻害することはない。
As a result, the end of the
以降、電源Ｅ３，Ｅ４から印加する電圧の極性を切り替えることにより（あるいは位相のずれた交流電圧の印加により）、図７（ｂ），（ｃ）の状態を交互に繰り返して、回転体３２を一方向（図中右回り方向）に連続して回転運動させることができる。 Thereafter, by switching the polarity of the voltage applied from the power sources E3 and E4 (or by applying an alternating voltage having a phase shift), the states of FIGS. It can be continuously rotated in one direction (clockwise direction in the figure).
なお、図７では隣接する高分子アクチュエータ素子がお互いの湾曲方向が逆となるように動作する場合を示したが、隣接する高分子アクチュエータ素子が交互に動作するようにしてもよい。すなわち、図７（ｂ）の場合に高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇは動作させず、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈのみを動作させ、図５（ｃ）の場合に高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈは動作させず、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇのみを動作させるようにするとよい。
Although FIG. 7 shows the case where the adjacent polymer actuator elements operate so that their bending directions are opposite to each other, the adjacent polymer actuator elements may operate alternately. That is, in the case of FIG. 7B, the
以上のように、いわゆるラチェット機構を応用したアクチュエータシステムにより、大きなトルクで対象物を回転運動させる機構、例えば小型の回転式ジャイロ装置を実現することができる。 As described above, a mechanism for rotating an object with a large torque, for example, a small rotary gyro device, can be realized by an actuator system using a so-called ratchet mechanism.
１…イオン導電性高分子膜、２…電極膜、３…金属導電膜、４…リード線、１０，１０ａ〜１０ｄ，２０，３０ａ〜３０ｈ…高分子アクチュエータ素子、１１…平坦面、１２…平板、１３，３３…爪部、３１…固定軸、３２…回転体、１００，３００…アクチュエータシステム、Ｅ１，Ｅ２…電源
DESCRIPTION OF
Claims (8)
主面上にそれぞれの先端が向く方向が前記高分子アクチュエータ素子の湾曲方向のうち一方向に揃えられた複数の爪部を有し、前記高分子アクチュエータ素子上で前記爪部が該高分子アクチュエータ素子の前記平坦面に固定された端部とは反対側の端部と接するように配置された平板とからなり、
前記高分子アクチュエータ素子が電圧印加で湾曲することにより、該高分子アクチュエータ素子の前記平坦面に固定された端部とは反対側の端部が前記平板の爪部を押し、該平板が一方向に直線移動することを特徴とするアクチュエータシステム。 A strip-shaped ion conductive polymer film impregnated with a cationic substance, and electrode films provided on both main surfaces of the ion conductive polymer film, respectively, and one end in the longitudinal direction on a flat surface Is fixed and upright from the flat surface, a polymer actuator element in which the ion conductive polymer film is curved by applying a voltage between the electrode films,
The main surface has a plurality of claw portions in which the direction of each tip is aligned in one of the bending directions of the polymer actuator element, and the claw portion on the polymer actuator element is the polymer actuator. A flat plate disposed so as to be in contact with the end opposite to the end fixed to the flat surface of the element;
When the polymer actuator element is bent by voltage application, the end of the polymer actuator element opposite to the end fixed to the flat surface pushes the claw of the flat plate, and the flat plate is unidirectional. An actuator system characterized by linear movement.
短冊形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両主面それぞれに設けられる電極膜とを有し、短冊幅方向が前記固定軸の長手方向と平行で長手方向の一方の端部が該固定軸の外周面に固定されて該外周面から直立した状態とされ、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、
中空の円筒形状で、円筒内周面にそれぞれの先端が向く方向が該円筒の円周方向のうち一方向に揃えられた複数の爪部を有し、前記固定軸を円筒の中心として内包し前記爪部が前記高分子アクチュエータ素子の前記固定軸の外周面に固定された端部とは反対側の端部と接するように配置された回転体とからなり、
前記高分子アクチュエータ素子が電圧印加で湾曲することにより、該高分子アクチュエータ素子の前記固定軸の外周面に固定された端部とは反対側の端部が前記回転体の爪部を押し、該回転体が一方向に回転することを特徴とするアクチュエータシステム。 A rod-shaped fixed shaft;
A strip-shaped ion conductive polymer film impregnated with a cationic substance, and electrode films provided on both principal surfaces of the ion conductive polymer film, the strip width direction being the longitudinal direction of the fixed shaft The ion conductive polymer film is formed in such a manner that one end in the longitudinal direction is fixed to the outer peripheral surface of the fixed shaft and is upright from the outer peripheral surface and a voltage is applied between the electrode films. A polymer actuator element that is curved,
It has a hollow cylindrical shape, and has a plurality of claw portions in which the direction of each tip toward the inner circumferential surface of the cylinder is aligned in one of the circumferential directions of the cylinder, and includes the fixed shaft as the center of the cylinder. The claw portion is composed of a rotating body arranged so as to be in contact with an end portion opposite to an end portion fixed to the outer peripheral surface of the fixed shaft of the polymer actuator element,
When the polymer actuator element is bent by voltage application, the end of the polymer actuator element opposite to the end fixed to the outer peripheral surface of the fixed shaft presses the claw of the rotating body, An actuator system characterized in that a rotating body rotates in one direction.
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