JP2007318960A - Integrated soft actuator with sensor function - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外部からの入力信号に応答して変位し、かつその変位を検出するセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータに関する。 The present invention relates to an integrated soft actuator with a sensor function that is displaced in response to an external input signal and detects the displacement.
近年、医療、福祉、ロボット、エンターテイメント産業などの様々な分野で、生物的な柔らかい動きができる高分子アクチュエータが着目されている。高分子アクチュエータとは、高分子材料を主体とし、高分子材料自体が何らかの刺激に対して応答して変形することを利用するアクチュエータをいう。かかる高分子アクチュエータは、例えば、非特許文献1に開示されている。
In recent years, attention has been focused on polymer actuators capable of soft biological movement in various fields such as medical care, welfare, robots, and entertainment industries. A polymer actuator refers to an actuator that is mainly composed of a polymer material and utilizes the deformation of the polymer material itself in response to some stimulus. Such a polymer actuator is disclosed in
現在、実用化に近いところまで開発が進んでいる高分子アクチュエータ材料のひとつとして、図13に示すイオン導電性高分子膜(Ionic Conductive Polymer gel Film:ICPF)が知られている。この高分子膜は、イオン導電性高分子膜51の両面に電極52a,52bを備えたものであり、イオン導電性高分子金属複合体(Ionic Polymer Metal Composite:IPMC)とも呼ばれる。以下これをIPMC膜(又はICPF)と呼ぶ。
Currently, an ion conductive polymer film (ICPF) shown in FIG. 13 is known as one of polymer actuator materials that have been developed to near practical use. This polymer film is provided with
IPMC膜は、電極間に電圧を加えたときに、高分子膜内のイオンが膜厚方向に移動し、これに伴い樹脂内の溶媒が膜厚方向に移動し、その結果、膜の一方の面が伸び他方の面が縮むことにより、屈曲する特性を有する。この屈曲運動の応答特性は、低電圧駆動(3V以下)において応答速度が比較的速く(例えば10ms)、変形も大きい。また、機械的、熱的、化学的耐久性にも優れていることが知られている。 In the IPMC film, when a voltage is applied between the electrodes, ions in the polymer film move in the film thickness direction, and accordingly, the solvent in the resin moves in the film thickness direction. It has the property of bending when the surface is extended and the other surface is contracted. As for the response characteristics of this bending motion, the response speed is relatively fast (for example, 10 ms) and the deformation is large in low voltage driving (3 V or less). It is also known to be excellent in mechanical, thermal and chemical durability.
しかし、IPMC膜を用いた高分子アクチュエータは、電場応答性高分子膜の膨潤収縮現象を利用するため、電場応答性高分子膜を常に水溶液中又は湿潤した状態に保持する必要がある。
そこで、この問題を解決するために、例えば、非特許文献2及び特許文献1が提案されている。
However, since the polymer actuator using the IPMC film utilizes the swelling and shrinkage phenomenon of the electric field responsive polymer film, it is necessary to always keep the electric field responsive polymer film in an aqueous solution or in a wet state.
In order to solve this problem, for example, Non-Patent
非特許文献2は、図14に示すアクチュエータ素子を開示している。このアクチュエータ素子は、イオン液体をベースポリマーでゲル化して得られる電解質フィルム61の両面に、電極63を積層した3層からなり、電極63間に電位差を与えることにより湾曲させるものである。また電極63は、単層カーボンナノチューブ62をイオン液体内に分散したゲル状物質(「バッキーゲル」と呼ぶ)をベースポリマーで成形したものである。
なお、単層カーボンナノチューブ62は、グラファイトの一枚面を巻いてできる筒状物質であり、直径およそ1nm、長さ数μmである。
Non-Patent
The single-
特許文献1の「アクチュエータ素子」は、図15に示すように、イオン液体とポリマーとのゲル状組成物からなるイオン伝導層71の表面に、カーボンナノチューブとイオン液体とポリマーとのゲル状組成物からなる電極層72が相互に絶縁状態で少なくとも2個形成されたものであり、電極72間に電位差を与えることにより湾曲および変形を生じさせ得るものである。
As shown in FIG. 15, the “actuator element” of
上述したIPMC膜は、フッ素系イオン交換樹脂に貴金属をメッキしたイオン導電性高分子/金属接合体である。この材料は電圧印加により変形するアクチュエータとして用いることが可能であるが、イオン交換樹脂が駆動するために水分が必要である。そのため、水中動作や水分が蒸発しないようにコーティングする必要があった。
また、貴金属のメッキのため、無電解メッキ法という煩雑な手段を用いる必要があった。
The above-described IPMC film is an ion conductive polymer / metal joined body obtained by plating a noble metal on a fluorine-based ion exchange resin. This material can be used as an actuator that deforms when a voltage is applied, but moisture is necessary for the ion exchange resin to be driven. For this reason, it has been necessary to perform coating in order to prevent underwater operation and moisture evaporation.
In addition, for plating precious metals, it is necessary to use a complicated means called electroless plating.
一方、非特許文献2及び特許文献1で使用しているイオン液体は、常温溶融塩ともいい、常温(室温)を含む幅広い温度域で溶融状態を呈し、かつ蒸気圧が無視できるほど低いため、揮発による溶媒の乾燥を防ぐことができる特徴がある。
そのため、非特許文献2及び特許文献1に開示されたアクチュエータ(以下、「バッキーゲルアクチュエータ」と呼ぶ)は、ナノチューブに注入された電荷を打ち消すための電解質(イオン液体)が予めフィルムに内包されており、外部から電解質を補充する必要がないため、空中作動が可能である。
従って、バッキーゲルアクチュエータは、(1)不揮発性電解質と電極の一体化による空中作動性、(2)プリント法が適用可能な優れた成形性、および、(3)大きくしなやかに変形する応答性、等の優れた特性を有している。
On the other hand, the ionic liquid used in Non-Patent
Therefore, the actuators disclosed in
Therefore, the bucky gel actuator has (1) aerial operability by integrating the non-volatile electrolyte and the electrode, (2) excellent formability to which the printing method can be applied, and (3) responsiveness to deform large and flexibly. It has excellent characteristics such as.
しかし、バッキーゲルアクチュエータは、低電圧で駆動できるが、その変位(例えば曲げ角度)を検出できない問題点があった。 However, the bucky gel actuator can be driven at a low voltage, but there is a problem that its displacement (for example, bending angle) cannot be detected.
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、低電圧で駆動でき、外部から電解質を補充することなく空気中および真空中で安定して作動でき、製造が極めて容易であり、外部からの入力信号に対する応答性が高く、かつその変位を検出することができるセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータを提供することにある。 The present invention has been made to solve such problems. That is, the object of the present invention is that it can be driven at a low voltage, can be stably operated in the air and in a vacuum without replenishing the electrolyte from the outside, is extremely easy to manufacture, and is responsive to an input signal from the outside. An object of the present invention is to provide an integrated soft actuator with a sensor function that is high and can detect the displacement.
本発明は、特許文献1に開示したアクチュエータ素子が、変形させると電圧が生じる逆の作動特性を有し、変位センサとしても使用可能なことを発見したことに基づくものである。
この発見に基づき、アクチュエータと変位センサを一体化したセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータの実現が可能になり、生体適合性のあるソフトなデバイスの制御が可能となった。
The present invention is based on the discovery that the actuator element disclosed in
Based on this discovery, it became possible to realize an integrated soft actuator with a sensor function that integrated an actuator and a displacement sensor, and it became possible to control a biocompatible soft device.
すなわち、本発明によれば、イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び絶縁性のあるイオン伝導層と、
前記イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び導電性のある電極層とからなるアクチュエータ部とセンサ部とを備え、
アクチュエータ部は、2枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成され、
センサ部は、2枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されている、ことを特徴とするセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータが提供される。
That is, according to the present invention, a non-volatile, flexible and insulating ion conductive layer containing an ionic liquid;
Comprising an actuator unit and a sensor unit comprising a non-volatile, flexible and conductive electrode layer containing the ionic liquid;
The actuator unit is configured to sandwich an ion conductive layer between two electrode layers and input a voltage signal therebetween,
An integrated soft actuator with a sensor function is provided, wherein the sensor unit is configured to sandwich an ion conductive layer between two electrode layers and output a voltage signal therebetween.
本発明の好ましい実施形態によれば、前記アクチュエータ部を構成する2枚の電極層と、前記センサ部を構成する2枚の電極層は、互いに間隔を隔てた4枚の電極層であり、同一のイオン伝導層の異なる部分を挟持する並列配置である。 According to a preferred embodiment of the present invention, the two electrode layers constituting the actuator portion and the two electrode layers constituting the sensor portion are four electrode layers spaced apart from each other, and the same It is the parallel arrangement which pinches | interposes the different part of the ion conduction layer of this.
また本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記アクチュエータ部を構成する2枚の電極層と、前記センサ部を構成する2枚の電極層は、2枚のイオン伝導層の間に挟持された1枚を共有する計3枚の電極層であり、2枚のイオン伝導層の同一位置を挟持する積層配置である。 According to another preferred embodiment of the present invention, the two electrode layers constituting the actuator part and the two electrode layers constituting the sensor part are sandwiched between two ion conductive layers. In addition, there are a total of three electrode layers sharing one sheet, and a stacked arrangement in which the same positions of the two ion conductive layers are sandwiched.
前記イオン伝導層は、イオン液体とポリマーからなるゲル状組成物であり、
前記電極層は、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーからなるゲル状組成物である。
The ion conductive layer is a gel composition composed of an ionic liquid and a polymer,
The electrode layer is a gel composition composed of carbon nanotubes, an ionic liquid, and a polymer.
上述した本発明の構成によれば、アクチュエータ部が、不揮発性の電極層間に不揮発性のイオン伝導層を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成されるので、外部から電解質を補充することなく空気中および真空中で安定して作動できる。 According to the configuration of the present invention described above, the actuator unit is configured to sandwich the non-volatile ion conductive layer between the non-volatile electrode layers and input a voltage signal therebetween, so the electrolyte is replenished from the outside. It can operate stably in air and in vacuum.
また、イオン伝導層と電極層がイオン液体を含みかつ可撓性があるので、低電圧で駆動でき、かつ外部からの入力信号に対する応答性を高くできる。 In addition, since the ion conductive layer and the electrode layer contain the ionic liquid and are flexible, the ion conductive layer and the electrode layer can be driven at a low voltage and can be highly responsive to an input signal from the outside.
また、アクチュエータ部とセンサ部を備え、センサ部も、2枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されているので、アクチュエータ部によるイオン伝導層の変位をセンサ部で直接検出することができる。 In addition, the actuator unit and the sensor unit are provided, and the sensor unit is also configured to sandwich the ion conductive layer between the two electrode layers and output a voltage signal therebetween. Can be directly detected by the sensor unit.
さらに、電極層形成工程と伝導層形成工程を同時又は順次行うことで、アクチュエータ部とセンサ部を形成することができ、この両方の工程を、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができるので、製造が極めて容易である。 Furthermore, the actuator part and the sensor part can be formed by performing the electrode layer forming process and the conductive layer forming process simultaneously or sequentially, and both processes can be performed by coating, printing, extrusion, casting or injection. Since it can be produced, it is very easy to manufacture.
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータの第1実施形態図である。この図において、本発明のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ10(以下、単に「ソフトアクチュエータ」と呼ぶ)は、アクチュエータ部12とセンサ部14とを備える。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an integrated soft actuator with a sensor function according to the present invention. In this figure, an integrated
アクチュエータ部12は、2枚の電極層3と1枚のイオン伝導層4からなり、2枚の電極層3の間にイオン伝導層4を挟持する。また、2枚の電極層3にはそれぞれ信号入力線13が取り付けられ、その間に外部から電圧信号を入力するように構成されている。
The
センサ部14も、2枚の電極層3と1枚のイオン伝導層4からなり、2枚の電極層3の間にイオン伝導層4を挟持する。また、2枚の電極層3にはそれぞれ信号出力線15が取り付けられ、その間から電圧信号を外部に出力するように構成されている。
The
イオン伝導層4は、イオン液体とポリマーからなるゲル状組成物であり、イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び絶縁性のある薄膜層である。
The ion
電極層3は、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーからなるゲル状組成物であり、前記イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び導電性のある薄膜層である。
The
図1は、本発明のソフトアクチュエータ10の並列配置例を示している。
この図において、アクチュエータ部12を構成する2枚の電極層3と、センサ部14を構成する2枚の電極層3は、互いに間隔を隔てた4枚の電極層3であり、同一のイオン伝導層4の異なる部分を挟持している。
なお、並列配置はこの例に限定されず、アクチュエータ部12、センサ部14のいずれか一方、又は両方を複数対の電極層3で構成してもよい。
FIG. 1 shows an example of parallel arrangement of
In this figure, two
Note that the parallel arrangement is not limited to this example, and either one or both of the
図2は、本発明のソフトアクチュエータ10の第2実施形態図である。この図は、本発明のソフトアクチュエータの積層配置例を示している。
この図において、アクチュエータ部12を構成する2枚の電極層3と、センサ部14を構成する2枚の電極層3は、2枚のイオン伝導層4の間に挟持された1枚を共有する計3枚の電極層であり、2枚のイオン伝導層4の同一位置を挟持している。
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the
In this figure, two
この例で、中間の電極層3に取り付けられた信号線16は、この例では接地され、信号入力線13と信号出力線15の両方に対し2端子対の役割を果たすように構成されているが、信号線16を信号入力線13と信号出力線15の2本で置き換えてもよい。
なお、積層配置はこの例に限定されず、3枚以上のイオン伝導層4と4枚以上の電極層3を交互に積層し、アクチュエータ部12とセンサ部14を複数対の電極層3で構成してもよい。
In this example, the
The stacking arrangement is not limited to this example, and three or more ion
また、本発明は、並列配置又は積層配置に限定されず、両者を組み合わせた構造でもよい。また、アクチュエータ部12とセンサ部14の形状、大きさ、向きはこの例では同一であるが、相違してもよい。
Further, the present invention is not limited to the parallel arrangement or the stacked arrangement, and may be a structure in which both are combined. The shape, size, and orientation of the
図3は、本発明のソフトアクチュエータの製造方法を示すフロー図である。
この図に示すように、本発明のソフトアクチュエータの製造方法は、電極層前駆体液調製工程S1、伝導層前駆体液調製工程S2、電極層形成工程S3、および伝導層形成工程S4の各工程からなる。
FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing the soft actuator of the present invention.
As shown in this figure, the manufacturing method of the soft actuator of the present invention includes electrode layer precursor liquid preparation step S1, conductive layer precursor liquid preparation step S2, electrode layer formation step S3, and conductive layer formation step S4. .
電極層前駆体液調製工程S1では、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を含む電極層前駆体液1を調製する。単層カーボンナノチューブをイオン液体と混合すると、ナノチューブが分散するとともに液体がゲル化してゲル状物質となる。従って、これにポリマーを加えることにより、任意の形状に成形することができる。
また、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を加え、ゲル化のプロセスなしに電極層前駆体液1を調製後、任意の形状に成形することもできる。
伝導層前駆体液調製工程S2では、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を含む伝導層前駆体液2を調製する。イオン液体にポリマーを加えることにより、任意の形状に成形することができる。
In the electrode layer precursor liquid preparation step S1, an electrode
Moreover, after adding the carbon nanotube, the ionic liquid, the polymer and the solvent and preparing the electrode
In the conductive layer precursor liquid preparation step S2, a conductive
イオン液体は、後述する実施例では、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(EMIBF4)又はブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(BMIBF4)である。イオン液体は、イオン伝導層4と電極層3の両方で共通であるのがよい。
ポリマーは、後述する実施例では、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF(HFP))(III)である。ポリマーもイオン伝導層4と電極層3の両方で共通であるのがよい。
カーボンナノチューブは、後述する実施例では、高純度単層カーボンナノチューブ(SWNT)である。
溶媒は、後述する実施例では、4−メチルペンタンー2−オン(MP)とプロピレンカーボネイト(PC)である。
Ionic liquids, in the Examples below, ethyl methyl imidazolium tetrafluoroborate (EMIBF 4) or butyl methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIBF 4). The ionic liquid is preferably common to both the ion
The polymer is a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF (HFP)) (III) in Examples described later. The polymer should be common to both the ion
The carbon nanotube is a high-purity single-walled carbon nanotube (SWNT) in Examples described later.
In the examples described later, the solvent is 4-methylpentan-2-one (MP) and propylene carbonate (PC).
電極層形成工程S3では、電極層前駆体液1を薄膜状に形成しかつ溶媒を除去して薄膜状の電極層3を形成する。この工程S3は、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができる。
伝導層形成工程S4では、伝導層前駆体液2を薄膜状に形成しかつ溶媒を除去して薄膜状のイオン伝導層4を形成する。この工程S4も、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができる。
In the electrode layer forming step S3, the electrode
In the conductive layer forming step S4, the conductive
電極層形成工程S3と伝導層形成工程S4は同時に又は順次行い、電極層3の間にイオン伝導層4を挟持したアクチュエータ部12とセンサ部14を形成する。
アクチュエータ部12は、2枚の電極層3間にイオン伝導層4を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成する。2枚の電極層3にはそれぞれ信号入力線13を取り付ける。
センサ部14は、2枚の電極層3の間にイオン伝導層4を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成する。2枚の電極層3にはそれぞれ信号出力線15を取り付ける。
以下、本発明の実施例を説明する。
The electrode layer forming step S3 and the conductive layer forming step S4 are performed simultaneously or sequentially to form the
The
The
Examples of the present invention will be described below.
本発明のソフトアクチュエータのセンサ部14に相当するセンサフィルムを以下の方法で作製した。
使用した薬品、材料は、以下の通り。
1 イオン液体(IL)
A.エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(EMIBF4)
B.ブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(BMIBF4)
2 カーボンナノチューブ
高純度単層カーボンナノチューブ(SWCNT)
商品名:HiPco(カーボンナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製)
3 ポリマー
ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF(HFP))
4 溶媒
A:4−メチルペンタンー2−オン(MP)
B:プロピレンカーボネイト(PC)
A sensor film corresponding to the
The chemicals and materials used are as follows.
1 Ionic liquid (IL)
A. Ethylmethylimidazolium tetrafluoroborate (EMIBF 4 )
B. Butylmethylimidazolium tetrafluoroborate (BMIBF 4 )
2 Carbon nanotubes High purity single-walled carbon nanotubes (SWCNT)
Product name: HiPco (manufactured by Carbon Nanotechnology Inc.)
3 Polymer Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF (HFP))
4 Solvent A: 4-Methylpentan-2-one (MP)
B: Propylene carbonate (PC)
(作製方法)
1 電極層前駆体液(電極キャスト液)の作製
上述した材料をSWNT/PVDF(HFP)/IL/PC/MP=3/8/12/24/300(重量比)の割合で混ぜ、超音波洗浄機中で1時間以上、分散させて、分散液を作製した。その後、液温を80℃に上げ、30分間以上攪拌した。
イオン液体(IL)には、A(EMIBF4)とB(BMIBF4)の両方をそれぞれ用いた。
2 伝導層前駆体液(電解質キャスト液)の作製
上述した材料をIL/PVDF(HFP)/PC/MP=12/20/24/300(重量比)の割合で混ぜ、液温を80℃に上げ、30分間以上攪拌した。
3 センサフィルムの作製
電極キャスト液、電解質キャスト液、電極キャスト液の順に、キャストを行い、溶媒を十分乾燥して、3層形態の2種のセンサフィルムを作製した。
(Production method)
1 Preparation of electrode layer precursor liquid (electrode casting liquid) The above-mentioned materials are mixed at a ratio of SWNT / PVDF (HFP) / IL / PC / MP = 3/8/12/24/300 (weight ratio) and subjected to ultrasonic cleaning. A dispersion was prepared by dispersing in the machine for 1 hour or longer. Thereafter, the liquid temperature was raised to 80 ° C. and stirred for 30 minutes or more.
As the ionic liquid (IL), both A (EMIBF 4 ) and B (BMIBF 4 ) were used.
2 Preparation of conductive layer precursor liquid (electrolyte casting liquid) The above materials are mixed at a ratio of IL / PVDF (HFP) / PC / MP = 12/20/24/300 (weight ratio), and the liquid temperature is raised to 80 ° C. , Stirred for 30 minutes or more.
3 Production of Sensor Film Casting was performed in the order of the electrode casting solution, the electrolyte casting solution, and the electrode casting solution, and the solvent was sufficiently dried to produce two types of sensor films in a three-layer form.
以下、イオン液体(IL)にA(EMIBF4)を用いたものを「センサフィルムA」、イオン液体(IL)にB(BMIBF4)を用いたものを「センサフィルムB」と呼ぶ。 Hereinafter, a film using A (EMIBF 4 ) as the ionic liquid (IL) is referred to as “sensor film A”, and a film using B (BMIBF 4 ) as the ionic liquid (IL) is referred to as “sensor film B”.
実施例1で得られたセンサフィルムAとセンサフィルムBのセンサ機能について以下の検証試験を行った。試験したセンサフィルムA,Bの寸法は、長さ20mm×幅2.5mm×厚さ130μmであった。 The following verification tests were performed on the sensor functions of the sensor film A and the sensor film B obtained in Example 1. The dimensions of the tested sensor films A and B were 20 mm long × 2.5 mm wide × 130 μm thick.
図4は、使用した試験装置の構成図である。この図において、20はセンサフィルム(A又はB)、22はレーザー変位計、24は電圧増幅アンプを内蔵した電圧計である。
この試験では、センサフィルム20の曲げ変形による横方向の変位とフィルム両面の電極間に発生する電圧を測定した。
センサフィルム20は、両面が鉛直に位置し、長さ方向を水平に位置決めし、一端部を固定して保持した。センサフィルム20の変形は先端部を手動で水平方向に移動し、固定部分から約12mmの位置の横方向変位をレーザー変位計22を用いて測定した。
またセンサフィルム20の電極層3の間に発生する電圧を電圧増幅アンプで約500倍に増幅し、一次のローパスフィルタを通して測定した。
FIG. 4 is a configuration diagram of the test apparatus used. In this figure, 20 is a sensor film (A or B), 22 is a laser displacement meter, and 24 is a voltmeter with a built-in voltage amplification amplifier.
In this test, the lateral displacement due to the bending deformation of the
The
The voltage generated between the electrode layers 3 of the
図5、図6は、センサフィルムAの試験結果であり、図5は比較的遅い変形(約1秒と約5秒の周期)の場合、図6は変位を加えて離したときの減衰自由振動の場合である。また各図において横軸は時間、縦軸は(A)は電圧変化、(B)は変位を示している。
図5(A)(B)から、約1秒の周期では電圧変化は変位と良く一致しているが、約5秒の周期では電圧変化と変位のずれが大きいことがわかる。
また図6(A)(B)から、減衰自由振動において、電圧変化と変位は良く一致している。
5 and 6 are test results of the sensor film A. FIG. 5 shows a relatively slow deformation (period of about 1 second and about 5 seconds), and FIG. This is the case of vibration. In each figure, the horizontal axis indicates time, the vertical axis indicates voltage change, and (B) indicates displacement.
5A and 5B, it can be seen that the voltage change agrees well with the displacement in the period of about 1 second, but the deviation between the voltage change and the displacement is large in the period of about 5 seconds.
Also, from FIGS. 6A and 6B, the voltage change and the displacement agree well with each other in the damping free vibration.
図7、図8は、センサフィルムBの試験結果であり、図7は比較的遅い変形(約1秒と約5秒の周期)の場合、図8は変位を加えて離したときの減衰自由振動の場合である。また各図において横軸は時間、縦軸は(A)は電圧変化、(B)は変位を示している。
図7(A)(B)から、約1秒、約5秒の両方の周期で電圧変化は変位と良く一致している。
また図8(A)(B)から、減衰自由振動においても、電圧変化と変位は良く一致している。
7 and 8 are test results of the sensor film B. FIG. 7 shows a case of relatively slow deformation (period of about 1 second and about 5 seconds), and FIG. This is the case of vibration. In each figure, the horizontal axis indicates time, the vertical axis indicates voltage change, and (B) indicates displacement.
7A and 7B, the voltage change agrees well with the displacement in both periods of about 1 second and about 5 seconds.
Also, from FIGS. 8A and 8B, the voltage change and the displacement agree well even with the damped free vibration.
BMIBF4使用のセンサフィルムBは、EMIBF4使用のセンサフィルムAよりもプラスイオンがやや大きいフィルムである。
図5、図6と図7、図8を比較すると、プラスイオンがやや大きいセンサフィルムBの方が、発生する電圧が大きくなっていることが確認できる。
すなわちIPMCでのNa+とTEA+のときと同様に、イオンの違いによってセンサ特性も大きく変化することがわかる。
The sensor film B using BMIBF 4 is a film having slightly larger positive ions than the sensor film A using EMIBF 4 .
Comparing FIGS. 5 and 6 with FIGS. 7 and 8, it can be confirmed that the generated voltage is larger in the sensor film B having a slightly larger positive ion.
That is, it can be seen that the sensor characteristics greatly change due to the difference in ions, as in the case of Na + and TEA + in IPMC.
また実施例2の試験結果から、
1 センサフィルムAおよびセンサフィルムBは、変形に対してほぼ比例した電位を発生するが、発生する電圧は0.01〜0.1mV程度であり、IPMCに比べると低い、
2 膜内のイオンによってセンサ特性が変化する、
ことがわかり、センサ機能を有することが確認された。
Moreover, from the test result of Example 2,
1 Sensor film A and sensor film B generate a potential approximately proportional to deformation, but the generated voltage is about 0.01 to 0.1 mV, which is lower than IPMC.
2 Sensor characteristics change due to ions in the membrane.
It was confirmed that it has a sensor function.
実施例1で得られたセンサフィルムBのセンサ機能について、実施例1と同一の装置を用いて再度検証試験を行った。試験したセンサフィルムBの寸法は、長さ20mm×幅2.5mm×厚さ130μmであった。
図9、図10、図11は、この試験結果である。各図において横軸は時間、縦軸は(A)は電圧変化、(B)は変位を示している。
About the sensor function of the sensor film B obtained in Example 1, the verification test was performed again using the same apparatus as Example 1. The dimensions of the tested sensor film B were 20 mm long × 2.5 mm wide × 130 μm thick.
9, 10, and 11 show the test results. In each figure, the horizontal axis represents time, the vertical axis represents voltage change, and (B) represents displacement.
図9、図10は、周期1秒から5秒の比較的速い動作に対する応答結果である。これらの図から、周期1秒から5秒の比較的速い変形に対しては、ほぼ変位に比例した電位が発生していることが確認できる。
図11は一定位置に止めた場合の応答結果であり、出力電圧がゆっくりと減衰していく挙動が確認できる。
実施例2との比較により、高分子内のイオン種によっても、挙動は異なり、EMIBF4を用いたセンサフィルムA(小さいプラスイオンの場合)では減衰する挙動がBMIBF4を用いたセンサフィルムBに比べて速いことがわかる。
9 and 10 show the response results for a relatively fast operation with a period of 1 to 5 seconds. From these figures, it can be confirmed that for a relatively fast deformation with a period of 1 to 5 seconds, a potential substantially proportional to the displacement is generated.
FIG. 11 shows a response result when the actuator is stopped at a fixed position, and it can be confirmed that the output voltage slowly decays.
In comparison with Example 2, the behavior differs depending on the ion species in the polymer, and the sensor film A using EMIBF 4 (in the case of small positive ions) has a behavior that attenuates in the sensor film B using BMIBF 4. You can see that it is faster.
図12は、実施例3と同じ設定で数日の間隔をおいて行った再現性/定量性の試験結果である。
図12(A)(B)(C)にそれぞれ別の日に行った試験結果を示す。この図では横軸が変形量、縦軸が出力電圧となっており、40秒間に、比較的速い変形を加えたときの試験結果である。速い動作においては、減衰する遅いダイナミクスの影響が少なく、変位と電位応答にほぼ比例関係があることがわかる。
また図12から、それぞれ別の日に行った試験で同様の結果が得られ、再現性があることが確認できた。
FIG. 12 shows the reproducibility / quantitative test results performed at intervals of several days with the same settings as in Example 3.
12A, 12B, and 12C show the results of tests performed on different days. In this figure, the horizontal axis represents the deformation amount, and the vertical axis represents the output voltage, which is a test result when a relatively fast deformation is applied in 40 seconds. It can be seen that in the fast operation, the influence of the slow dynamics that attenuates is small, and the displacement and the potential response have a substantially proportional relationship.
In addition, from FIG. 12, it was confirmed that the same results were obtained in tests performed on different days, and that there was reproducibility.
上述したように本発明の装置および方法によれば、アクチュエータ部12が、不揮発性の電極層3の間に不揮発性のイオン伝導層4を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成されるので、外部から電解質を補充することなく空気中および真空中で安定して作動できる。
As described above, according to the apparatus and method of the present invention, the
また、イオン伝導層4と電極層3がイオン液体を含みかつ可撓性があるので、低電圧で駆動でき、かつ外部からの入力信号に対する応答性を高くできる。
Moreover, since the ion
また、アクチュエータ部12とセンサ部14を備え、センサ部14も、2枚の電極層3の間にイオン伝導層4を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されているので、アクチュエータ部によるイオン伝導層の変位をセンサ部で検出することができる。
Further, the
さらに、電極層形成工程S3と伝導層形成工程S4を同時又は順次行うことで、アクチュエータ部12とセンサ部14を形成することができ、この両方の工程を、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができるので、製造が極めて容易である。
Furthermore, by performing the electrode layer forming step S3 and the conductive layer forming step S4 simultaneously or sequentially, the
また、本発明のソフトアクチュエータ10を用いることにより空中での動作が可能で、センサ部14によるフィードバック機能を用いることにより、空間的に部分的に剛性を変えることが可能となり、さらに多様な触覚を与えるデバイスを作成可能である。
また、同様の機構をセンサとして使用することにより、皮膚(産毛)のように面で接触を検知できるセンサを構成可能であり、介護などを行う人と接するロボットなどの人工皮膚としての利用が期待できる。また、低電圧で駆動できるという長所を利用し、小型化した鞭毛推進機構を構成することで、血管など人体内を移動するデバイスの開発も期待できる。
In addition, by using the
In addition, by using a similar mechanism as a sensor, it is possible to construct a sensor that can detect contact on the surface, such as skin (growth), and it is expected to be used as artificial skin for robots that come into contact with caregivers. it can. In addition, by utilizing the advantage that it can be driven at a low voltage, and constructing a miniaturized flagella propulsion mechanism, development of a device that moves inside the human body such as blood vessels can be expected.
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.
1 電極層前駆体液、2 伝導層前駆体液、
3 電極層、4 イオン伝導層、
10 センサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ(ソフトアクチュエータ)、
12 アクチュエータ部、13 信号入力線、
14 センサ部、15 信号出力線、16 信号線、
20 センサフィルム(A又はB)、
22 レーザー変位計、
24 電圧増幅アンプを内蔵した電圧計
1 electrode layer precursor liquid, 2 conductive layer precursor liquid,
3 electrode layer, 4 ion conductive layer,
10 Integrated soft actuator with sensor function (soft actuator),
12 Actuator section, 13 Signal input line,
14 sensor units, 15 signal output lines, 16 signal lines,
20 sensor film (A or B),
22 Laser displacement meter,
24 Voltmeter with built-in voltage amplifier
Claims (4)
前記イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び導電性のある電極層とからなるアクチュエータ部とセンサ部とを備え、
アクチュエータ部は、2枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成され、
センサ部は、2枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されている、ことを特徴とするセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ。 A non-volatile, flexible and insulating ion conductive layer containing an ionic liquid;
Comprising an actuator unit and a sensor unit comprising a non-volatile, flexible and conductive electrode layer containing the ionic liquid;
The actuator unit is configured to sandwich an ion conductive layer between two electrode layers and input a voltage signal therebetween,
An integrated soft actuator with a sensor function, wherein the sensor unit is configured to sandwich an ion conductive layer between two electrode layers and output a voltage signal therebetween.
前記電極層は、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーからなるゲル状組成物である、ことを特徴とする請求項1に記載のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ。
The ion conductive layer is a gel composition composed of an ionic liquid and a polymer,
The integrated soft actuator with a sensor function according to claim 1, wherein the electrode layer is a gel composition composed of carbon nanotubes, an ionic liquid, and a polymer.
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