JP2009055717A - Actuator device and actuator structure - Google Patents

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Toshio Mugishima
利夫 麦島
Hiroaki Rikihisa
弘昭 力久
Yoshihisa Kano
義久 加納
Hiroyo Okamura
浩代 岡村
Koji Fujimura
幸司 藤村
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an actuator device which is superior in motility, whose strength is high, which can be operated at a large stroke, can be made into a light and simple structure, can be operated at low voltage and can suppress energy consumption. <P>SOLUTION: In the actuator device, electrolytic film layers are arranged on both sides of a center electrode layer and external electrode layers are disposed on external sides of the electrolytic film layers. The device is divided into a plurality of bending parts arranged by standing in a row so that each other may be adjoined mutually. A plurality of the adjacent bending parts bend in opposite directions when voltage is applied to the center electrode layer and the external electrode layers. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明はアクチュエータデバイス及びアクチュエータ構造体に関する。   The present invention relates to an actuator device and an actuator structure.

特定のイオン導電性高分子は、電圧を印加した際に、内部のイオンや溶媒が電場に応答して移動し、部分的に体積変動を生じて、相当程度収縮・膨張して変形することが知られている。例えば図7に示すように、高分子電解質膜71に電極72および73を接合し、電圧を印加すると電極や電解質が若干収縮・膨張して凹形状になって曲がる。電極あるいは電解質のいずれが体積変動するかは、材料の選定による。そして、上述の高分子膜等を用いて屈曲する素子とすることが提案されている(特許文献1〜5、非特許文献1参照)。   Certain ionic conductive polymers can be deformed by applying a voltage, with internal ions and solvents moving in response to the electric field, resulting in partial volume fluctuations, and contracting and expanding to a considerable extent. Are known. For example, as shown in FIG. 7, when the electrodes 72 and 73 are joined to the polymer electrolyte membrane 71 and a voltage is applied, the electrodes and the electrolyte are slightly contracted and expanded to form a concave shape and bend. Whether the electrode or the electrolyte fluctuates depends on the material selected. And it is proposed to make it an element which bends using the above-mentioned polymer film etc. (refer to patent documents 1-5, nonpatent literature 1).

ところで、低電圧で駆動し、高機能なソフトアクチュエータが望まれている。これにより、例えば人体やその各器官に直接触れる手術デバイス及び福祉機器をはじめ、パーソナルロボットの人工筋肉とすることが期待されている。こうした要求に応えるためには、十分な強度を維持しながら大きく屈曲し、できれば生物的に多様に柔らかく動作するものが望まれる。   By the way, a high-performance soft actuator that is driven at a low voltage is desired. As a result, it is expected to be an artificial muscle of a personal robot including, for example, a surgical device and welfare equipment that directly touch the human body and each organ. In order to meet these demands, it is desired to bend a large amount while maintaining a sufficient strength, and preferably to operate in a biologically diverse manner.

特開平11−235064号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-233504 特開2004−314219号公報JP 2004-314219 A 特開2006−288040号公報JP 2006-288040 A 特開2007−126624号公報JP 2007-126624 A 特開2007−118159号公報JP 2007-118159 A Boyko L. Stoimenovら, Proceedings of SPIE,vol.6524, EDPAD 2007,Yoseph Bar-Cohen, Editor, 65240T,http://www.bmc.riken.jp/~stoimenov/research/papers/2007EAPAD‐web‐IPMCComplexCurves.pdfBoyko L. Stoimenov et al., Proceedings of SPIE, vol. 6524, EDPAD 2007, Joseph Bar-Cohen, Editor, 65240T, http://www.bmc.riken.jp/~stoimenov/research/papers/2007EAPAD‐web‐IPMCComplexCurves .pdf

本発明は、運動性に優れ、かつデバイスの強度が高く、大きなストロークで運動させることができるアクチュエータデバイスの提供を目的とする。また、本発明は、上記の機能に加え、軽量でシンプルな構造とすることができ、低電圧で作動しエネルギー消費を抑えることができるアクチュエータデバイスの提供を目的とする。さらにまた本発明は、上述の優れた性能を維持し、電極のバリの発生等による電極間のショートを抑えることができ、高効率及び高精度での大量生産にも好適に対応しうるアクチュエータデバイスの提供を目的とする。さらに上述のような優れた性能を有するアクチュエータデバイスを組み合わせてなした、複雑かつ多様な運動ないし力強い運動をさせることができるアクチュエータ構造体の提供を目的とする。   An object of the present invention is to provide an actuator device that is excellent in mobility, has high device strength, and can be moved with a large stroke. Another object of the present invention is to provide an actuator device that can have a light and simple structure in addition to the above functions, and that can operate at a low voltage and suppress energy consumption. Furthermore, the present invention is an actuator device that maintains the above-described excellent performance, can suppress a short circuit between the electrodes due to the generation of burr of the electrode, etc., and can suitably cope with mass production with high efficiency and high accuracy. The purpose is to provide. It is another object of the present invention to provide an actuator structure that can perform complicated and diverse motions or powerful motions by combining actuator devices having excellent performance as described above.

上記の課題は以下の手段により達成された。
(1)中心電極層の両側に電解質膜層を設け、さらに該電解質膜層の外側にそれぞれ外側電極層を設けたアクチュエータデバイスであって、該デバイスは互いに隣りあうように連なって配置された複数の屈曲部に区分され、この複数の屈曲部は前記中心電極層及び外側電極層に電圧を印加したときに互いに隣り合う屈曲部どうし反対方向に屈曲することを特徴とするアクチュエータデバイス。
(2)前記互いに隣りあうように連なって配置されたアクチュエータデバイスの屈曲部に電圧を印加したときの前記電解質膜層の屈曲作用部が、互いに隣り合う屈曲部において、前記中心電極層のそれぞれ反対の面側にあることを特徴とする(1)に記載のアクチュエータデバイス。
(3)前記電解質膜層及び外側電極層はいずれも前記中心電極層の両側で前記複数の屈曲部に亙りデバイス長手方向に連続して積層配設されており、前記外側電極層は隣接する屈曲部ごとに交互に広幅部と狭幅部とを有し、かつ、前記外側電極層の広幅部もしくは狭幅部どうしが前記中心電極層を挟んで該中心電極の反対の面側に位置する外側電極と、互いに実質的に重ならないことを特徴とする(1)又は(2)に記載のアクチュエータデバイス。
(4)前記電解質膜層及び前記外側電極層はいずれも前記中心電極層の両側で前記複数の屈曲部に亙りデバイス長手方向に連続して積層配設されており、前記外側電極層は隣接する屈曲部ごとに交互に層厚部と層薄部とを有し、かつ、前記外側電極層の層厚部もしくは層薄部どうしが前記中心電極層を挟んで該中心電極の反対の面側に位置する外側電極と、互いに実質的に重ならないことを特徴とする(1)又は(2)に記載のアクチュエータデバイス。
(5)前記各屈曲部に配置され、前記中心電極を挟んで反対面側に位置する外側電極は、一方が膨張し、他方が収縮することを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載のアクチュエータデバイス。
(6)(1)〜(5)のいずれか1項に記載のアクチュエータデバイスが屈曲して屈曲運動する場合に、前記中心電極層が屈曲運動して形成される屈曲図形の中心線となることを特徴とするアクチュエータデバイス。
(7)(1)〜(6)のいずれか1項に記載のアクチュエータデバイスを、面状のアクチュエータ構造体とするか、あるいは3次元的に組み合わせた円筒状のアクチュエータ構造体又は円盤状のアクチュエータ構造体としたことを特徴とするアクチュエータ構造体。
The above problems have been achieved by the following means.
(1) An actuator device in which an electrolyte membrane layer is provided on both sides of a center electrode layer, and an outer electrode layer is provided on the outside of the electrolyte membrane layer, and the devices are arranged in series so as to be adjacent to each other. The actuator device is characterized in that when the voltage is applied to the central electrode layer and the outer electrode layer, the bent portions are bent in opposite directions to each other.
(2) The bending action portions of the electrolyte membrane layer when the voltage is applied to the bending portions of the actuator devices arranged so as to be adjacent to each other are opposite to the central electrode layer at the bending portions adjacent to each other. The actuator device according to (1), wherein the actuator device is on the surface side of the actuator.
(3) The electrolyte membrane layer and the outer electrode layer are both laminated in the longitudinal direction of the device over the plurality of bent portions on both sides of the central electrode layer, and the outer electrode layer is adjacent to the bent portion. An outer side having a wide part and a narrow part alternately for each part, and the wide part or narrow part of the outer electrode layer is located on the opposite surface side of the central electrode with the central electrode layer in between The actuator device according to (1) or (2), wherein the actuator device does not substantially overlap each other.
(4) The electrolyte membrane layer and the outer electrode layer are both laminated in the longitudinal direction of the device across the plurality of bent portions on both sides of the central electrode layer, and the outer electrode layers are adjacent to each other. Each bent portion has a layer thickness portion and a layer thin portion alternately, and the layer thickness portion or the layer thin portion of the outer electrode layer is on the opposite surface side of the center electrode across the center electrode layer. The actuator device according to (1) or (2), wherein the outer electrode that is positioned does not substantially overlap each other.
(5) Any one of (1) to (4), wherein one of the outer electrodes located on the opposite side with the central electrode interposed therebetween is expanded and the other contracted. The actuator device according to claim 1.
(6) When the actuator device according to any one of (1) to (5) is bent and bent, the center electrode layer becomes a center line of a bent figure formed by bending. Actuator device characterized by.
(7) A cylindrical actuator structure or a disk-shaped actuator in which the actuator device according to any one of (1) to (6) is a planar actuator structure or is three-dimensionally combined An actuator structure characterized by being a structure.

本発明のアクチュエータデバイスは、複数の屈曲部を所望の曲率にして屈曲運動させることができ運動性に優れ、大きなストロークで運動させることができ、そのときにもデバイスの強度が高く負荷のかかる運動や長時間の動作においても破損しにくいという優れた作用効果を奏する。また、本発明のアクチュエータデバイスは、上記の性能を維持しながら、軽量でシンプルな構造とすることができ、低電圧で作動させエネルギー消費を抑えることができる。また本発明のアクチュエータデバイスは、上述の優れた機能を維持し、電極のバリの発生等による電極間のショートを抑え、効率かつ精度良く製造するこができ、デバイスの大量生産に対応しうる。さらに上述のような優れた性能を有するアクチュエータデバイスを組み合わせてなした本発明のアクチュエータ構造体は、複雑かつ多様な運動ないし力強い運動をさせることができる。   The actuator device of the present invention can be bent with a desired curvature at a plurality of bent portions, has excellent motility, and can be moved with a large stroke. It has an excellent effect that it is not easily damaged even during long-time operation. In addition, the actuator device of the present invention can have a light and simple structure while maintaining the above performance, and can be operated at a low voltage to suppress energy consumption. In addition, the actuator device of the present invention can maintain the above-described excellent functions, suppress short-circuiting between electrodes due to generation of burr of electrodes, etc., can be manufactured efficiently and accurately, and can correspond to mass production of devices. Furthermore, the actuator structure of the present invention formed by combining actuator devices having excellent performance as described above can perform complicated and diverse motions or powerful motions.

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明のアクチュエータデバイスの一実施形態(実施形態1)における要部を模式的に示す分解斜視図である。本実施形態1のアクチュエータデバイス10においては、中心電極層3を中心にして、その両側に電解質膜層2(上側電解質膜層2a、下側電解質膜層2b)が配設され、さらにその両側に外側電極層1(上側電極層1a、下側電極層1b)が配設されている。ここで、中心電極層3と電解質膜層2との間には、さらに別の機能性の層を設けてもよいが、中心電極層3から電解質膜層2に電圧が直接印加されるよう、本実施形態1のように両者が接するように配設することが好ましい。また、電解質膜層2及び外側電極層1についても同様であり、両者の間に別の層を設けてもよいが、両層が互いに接するように配設することが好ましい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a main part in an embodiment (first embodiment) of an actuator device of the present invention. In the actuator device 10 according to the first embodiment, the electrolyte membrane layer 2 (the upper electrolyte membrane layer 2a and the lower electrolyte membrane layer 2b) is disposed on both sides of the central electrode layer 3, and further on both sides thereof. An outer electrode layer 1 (upper electrode layer 1a, lower electrode layer 1b) is disposed. Here, another functional layer may be provided between the center electrode layer 3 and the electrolyte membrane layer 2, but a voltage is directly applied from the center electrode layer 3 to the electrolyte membrane layer 2. As in the first embodiment, it is preferable that the two are in contact with each other. The same applies to the electrolyte membrane layer 2 and the outer electrode layer 1, and another layer may be provided between the two, but it is preferable that the two layers be in contact with each other.

本実施形態1のデバイス10においては、外側電極層1において、広幅部1sと狭幅部1tとが交互に配されるように形成されている。このとき、広幅部1sはその下層の電解質膜層2と略同等の幅(Y方向)にされ、狭幅部1tはこれよりも狭くされている。そして、上側電極層1aの広幅部1sないし狭幅部1tが、外側電極層1bの広幅部1sないし狭幅部1tと、中心電極層3を挟んで実質的に重ならないようにされている。
本発明において、外側電極層の特定の部分が中心電極層を挟んで(介して)重ならないとは、中心電極層に直交する方向に両側の外側電極層を投影し重ねたときの投影像において、前記特定の部分が重ならない関係にあることをいう。中心電極層を挟むように配置された外側電極層が実質的に重らないというときには、デバイスの良好な屈曲運動性が維持される範囲で、大部分が重なっていないが、一部に重なっている部分があってもよいことを意味する。中心電極層を挟むように配置された外側電極層の対向する電極の大部分が重なっていなければ、一部分に対向する外側電極の一方の電極に重なる部分があっても、両方の電極に重なる部分があっても、デバイスの屈曲運動が担保されれば良いことになる。
In the device 10 of Embodiment 1, the outer electrode layer 1 is formed so that the wide portions 1s and the narrow portions 1t are alternately arranged. At this time, the wide portion 1s has a width (Y direction) substantially equal to that of the electrolyte membrane layer 2 therebelow, and the narrow portion 1t is narrower than this. The wide portion 1s to the narrow portion 1t of the upper electrode layer 1a is not substantially overlapped with the wide portion 1s to the narrow portion 1t of the outer electrode layer 1b with the center electrode layer 3 interposed therebetween.
In the present invention, a specific portion of the outer electrode layer does not overlap with (via) the center electrode layer in the projected image when the outer electrode layers on both sides are projected and overlapped in a direction orthogonal to the center electrode layer. , That the specific part is in a non-overlapping relationship. When the outer electrode layer arranged so as to sandwich the center electrode layer does not substantially overlap, most of them do not overlap as long as the good bending mobility of the device is maintained. It means that there may be a part. If most of the opposing electrodes of the outer electrode layer arranged so as to sandwich the center electrode layer do not overlap, even if there is a part that overlaps one electrode of the outer electrode facing part, the part that overlaps both electrodes Even if there is, it is sufficient if the bending motion of the device is secured.

本実施形態1においては、上述した外側電極層1の広幅部1s及び狭幅部1tの各領域ごとに、デバイス10内の長手方向において区分された屈曲部u、u、u、u...が構成される。そして、中心電極層3及び外側電極層1にそれぞれ反対極性の電圧を印加することにより、上記の各屈曲部が互いに隣接する屈曲部どうし反対方向に屈曲して、デバイス10全体としては波打つようにして屈曲運動する(図2)。ここで屈曲部が互いに反対方向に屈曲するとは屈曲形状における凸凹が反転することをいう。換言すると、隣接する屈曲部どうしで互いに曲率が反転していることをいい、その曲率の大きさは屈曲部ごとに同じであっても違っていてもよい。なお、本発明において屈曲運動とは、複数の屈曲部がその隣接する屈曲部において反対方向に屈曲する連続的な屈曲変形をいい、素子内で1か所しか変曲点を有さない単なる屈曲と区別される。 In the first embodiment, the bent portions u 1 , u 2 , u 3 , u divided in the longitudinal direction in the device 10 for each of the wide portion 1s and the narrow portion 1t of the outer electrode layer 1 described above. 4 . . . Is configured. Then, by applying voltages of opposite polarities to the center electrode layer 3 and the outer electrode layer 1, each of the bent portions bends in the opposite direction to the adjacent bent portions so that the device 10 as a whole undulates. To bend (Fig. 2). Here, the bending portions bending in directions opposite to each other means that the unevenness in the bent shape is inverted. In other words, it means that the curvature is inverted between adjacent bent portions, and the magnitude of the curvature may be the same or different for each bent portion. In the present invention, the bending motion means a continuous bending deformation in which a plurality of bending portions bend in opposite directions at adjacent bending portions, and is a simple bending having only one inflection point in the element. Distinguished from

本実施形態1のアクチュエータデバイス10において、デバイスの幅(Y方向)は特に限定されないが、小型デバイスとする場合には1〜10mm程度とすることが実際的であり、大型デバイスとするときには10〜100mm程度が実際的である。外側電極層の広幅部1sと狭幅部1tとの幅(Y方向)の比([狭幅部1tの幅]/[広幅部1sの幅])は特に限定されないが、各屈曲部uにおける良好な屈曲運動を考慮すると、この比を1:2〜1:100程度とすることが好ましく、1:5〜1:10程度とすることがより好ましい。   In the actuator device 10 according to the first embodiment, the width (Y direction) of the device is not particularly limited. However, in the case of a small device, it is practical to be about 1 to 10 mm. About 100 mm is practical. The ratio ([width of narrow portion 1t] / [width of wide portion 1s]) between the wide portion 1s and the narrow portion 1t (Y direction) of the outer electrode layer is not particularly limited. In consideration of good bending motion, this ratio is preferably about 1: 2 to 1: 100, more preferably about 1: 5 to 1:10.

本実施形態1における屈曲運動について更に詳しく説明する。図2は、図1に示したデバイス10について屈曲運動させたときの形態を模式的に示した斜視図である。本実施形態1のデバイスは、上述のように、中心電極層3と外側電極層1に電圧を印加することにより、屈曲部uごとに長手方向(X方向)に波打つようにして屈曲運動する。ここで電極層及び電解質膜層の具体例についていえば、後述するような、電極層1及び3をカーボンナノファイバーからなる板上電極層とし、電解質膜層3を高分子電解質膜(カチオン交換樹脂膜)とする態様が挙げられる。なお、図は直板状であるが、本発明は直板状に限らない。予め、例えば、凸形状、凹形状、凹凸形状などに変形させておいても良い。直板状の素子は正の電圧を印加した際と負の電圧を印加した際とで、反対の方向に湾曲するため、正弦波の電圧を印加した際には、振り子のように運動する。この際に、予め素子を変形させておくことにより、振り子の移動到達点を変化させることが可能である。複数素子を連結させた際にも、各素子を予め変形させておくことにより、全体の変形量を調整することが可能となる。また、駆動素子を他の基材と接合しても良い。他の基材としては、ゲル材やゴム材などのソフトマテリアルが望ましい。   The bending motion in the first embodiment will be described in more detail. FIG. 2 is a perspective view schematically showing a form when the device 10 shown in FIG. 1 is bent. As described above, the device according to the first embodiment performs a bending motion so as to wave in the longitudinal direction (X direction) for each bent portion u by applying a voltage to the center electrode layer 3 and the outer electrode layer 1. Speaking of specific examples of the electrode layer and the electrolyte membrane layer, the electrode layers 1 and 3 as described later are plate electrode layers made of carbon nanofibers, and the electrolyte membrane layer 3 is a polymer electrolyte membrane (cation exchange resin). An embodiment of a film) is exemplified. In addition, although a figure is a straight plate shape, this invention is not restricted to a straight plate shape. For example, it may be deformed in advance into a convex shape, a concave shape, an uneven shape, or the like. The straight plate-like element bends in the opposite direction when a positive voltage is applied and when a negative voltage is applied. Therefore, when a sine wave voltage is applied, it moves like a pendulum. At this time, it is possible to change the movement arrival point of the pendulum by previously deforming the element. Even when a plurality of elements are connected, the total deformation amount can be adjusted by deforming each element in advance. Further, the drive element may be bonded to another base material. The other base material is preferably a soft material such as a gel material or a rubber material.

この具体例の構成において酸性高分子電解質膜2は正極(+)に凹になるように曲がろうとする。とすると、中心電極層3に負電圧(−)を印加し、両側の外側電極層1に正電圧(+)を印加すると、電解質膜2には一様に両方の外側に向けて凹になろうとする力が生じる。ただし本実施形態1のデバイスにおいては、先に述べたように外側電極層に広幅部1sと狭幅部1tとが交互に設けられている。このため、外側電極層1の広幅部1sに対応する電解質膜2の部分すなわち屈曲作用部2sに広い面積で正電圧が供給される。これにより、イオンやイオンに親和した溶媒が移動し、屈曲作用部に強い屈曲力が付与される。これに対し、狭幅部1tに対応する電解質膜2の屈曲非作用部2tには狭い範囲でしか電圧が印加されず、弱い屈曲力しか付与されない。この結果として、上記屈曲作用部2s側の屈曲力が屈曲非作用部2tの屈曲力に打ち勝ち、外側電極層の広幅部1sにおいてより優先的に凹形状に変形しようとする力がデバイス内に発生する。このように、互いに逆の外側方向(Z方向)に曲がる屈曲作用部2sないし広幅部1sが中心電極層を挟んで、互いに隣接する屈曲部どうしにおいて反対側に配されている。これにより上述したように長手方向に広く波打つような良好な屈曲運動が実現される。なお、図は広幅部1sと狭幅部1tとが同じ長さであるが、広幅部1sと狭幅部1tとは同一の長さでなくとも良い。また、剛性に差異が生じており、外力が加わった際に座屈や湾曲する位置を規定することが可能となる。例えば、電圧を印加していない状態で、予め応力を加えておくことで剛性が弱い位置で選択的に座屈させておき、電圧を印加させ全体を駆動することでより複雑な屈曲運動が実現されることとなる。   In the configuration of this specific example, the acidic polymer electrolyte membrane 2 tends to bend so as to be concave on the positive electrode (+). Then, when a negative voltage (−) is applied to the center electrode layer 3 and a positive voltage (+) is applied to the outer electrode layers 1 on both sides, the electrolyte membrane 2 is uniformly concave toward both outer sides. The power to try is generated. However, in the device of the first embodiment, as described above, the wide portion 1s and the narrow portion 1t are alternately provided in the outer electrode layer. Therefore, a positive voltage is supplied over a wide area to the portion of the electrolyte membrane 2 corresponding to the wide width portion 1s of the outer electrode layer 1, that is, the bending action portion 2s. As a result, ions and a solvent that is compatible with the ions move, and a strong bending force is applied to the bending action portion. On the other hand, a voltage is applied only in a narrow range to the bending non-action portion 2t of the electrolyte membrane 2 corresponding to the narrow width portion 1t, and only a weak bending force is applied. As a result, the bending force on the side of the bending action part 2s overcomes the bending force of the bending non-action part 2t, and a force that preferentially deforms into a concave shape in the wide part 1s of the outer electrode layer is generated in the device. To do. In this way, the bending action portion 2s or the wide width portion 1s that bends in the opposite outer directions (Z direction) are arranged on the opposite side between the bending portions adjacent to each other with the center electrode layer interposed therebetween. Thereby, as described above, a good bending motion that undulates in the longitudinal direction is realized. In the drawing, the wide width portion 1s and the narrow width portion 1t have the same length, but the wide width portion 1s and the narrow width portion 1t need not have the same length. In addition, there is a difference in rigidity, and it is possible to define a position where buckling or bending occurs when an external force is applied. For example, in a state where no voltage is applied, stress is applied in advance to selectively buckle at a position where rigidity is weak, and a more complicated bending motion is realized by applying voltage and driving the whole. Will be.

ここで、本実施形態1のアクチュエータデバイス10においては、各屈曲部の屈曲変形力がデバイス内で高まり、大きなストロークで強く屈曲運動しうる。ここで、ストロークとは屈曲による振幅方向(Z方向)の変位の大きさと、屈曲運動によるデバイス長手方向の伸縮方向(X方向)の変位の大きさとの両方を意味する。X軸とZ軸とでいずれの変形量が大きくなるかは曲率や変形部の長さによって変動する。ここで、実際に本発明にかかる素子を利用する際には、保持具などで固定する。また、簡便な機構のクリップ状の保持具を用いた場合、固定部に素子全体の回転を阻害され、また固定部において素子の向きが一方向に規定される。このような場合、素子の一部の曲率を変化させることで全体の変形量が増大することがある。回転の阻害部は、保持具によるもののみならず、複数の素子を連結させた部位にも発生することがある。このような場合にも、素子の一部の曲率を変化させることで全体の変形量が増大することがある。   Here, in the actuator device 10 of the first embodiment, the bending deformation force of each bent portion is increased in the device, and can be bent strongly with a large stroke. Here, the stroke means both the magnitude of displacement in the amplitude direction (Z direction) due to bending and the magnitude of displacement in the expansion / contraction direction (X direction) in the longitudinal direction of the device due to bending motion. Which amount of deformation increases between the X-axis and the Z-axis varies depending on the curvature and the length of the deformed portion. Here, when actually using the element concerning this invention, it fixes with a holder etc. Further, when a clip-shaped holder having a simple mechanism is used, rotation of the entire element is hindered by the fixing portion, and the direction of the element is defined in one direction at the fixing portion. In such a case, the entire deformation amount may increase by changing the curvature of a part of the element. The rotation inhibition portion may occur not only by the holder but also at a site where a plurality of elements are connected. Even in such a case, the overall deformation amount may increase by changing the curvature of a part of the element.

本実施形態1のアクチュエータデバイス10は、上述のように芯となる中心電極層3を有する。したがって、アクチュエータデバイスが屈曲して屈曲運動する場合に、前記中心電極層が屈曲運動して形成される屈曲図形の中心線となるが、これは各屈曲部の前記中心電極を挟んで反対面側に位置する外側電極は、一方が膨張し、他方が収縮するのに対して、中心電極はその中間にあるからである。このため、上述したような大きなストロークで波打つような屈曲運動をさせたときにも上記の中心電極層3が背骨のように働き、高い耐久性を示し形状的に安定した動作が維持される。例えば、後述するようにアクチュエータデバイスを連結して大型のアクチュエータ構造体を構成して様々に変形させ複雑な運動をさせたときにも、芯をなす中心電極層がデバイスを強固に支え長時間耐久性を示し、しかも脊椎動物のようにしなやかかつ俊敏に応答して安定した運動性能を発揮しうる。   The actuator device 10 according to the first embodiment has the central electrode layer 3 serving as a core as described above. Therefore, when the actuator device is bent and bent, the center electrode layer becomes the center line of the bent figure formed by the bending movement. This is the opposite side of the bent electrode with the center electrode interposed therebetween. This is because one of the outer electrodes located at swells and the other contracts, while the center electrode is in the middle. For this reason, the center electrode layer 3 works like a spine even when a bending motion that undulates with a large stroke as described above, maintains high durability, and maintains a shape-stable operation. For example, as will be described later, even when actuator devices are connected to form a large actuator structure and various movements are made by various deformations, the central electrode layer that forms the core firmly supports the device and lasts for a long time. It exhibits sexuality, and can respond supple and agile like vertebrates and exhibit stable motor performance.

また、本実施形態1のアクチュエータデバイス10は極めてシンプルな積層構造の膨張率の異なる複数の電極を備えているデバイスであるため、工業的な規模で大量に生産する際や、後述するような複雑にデバイスを集積してアクチュエータ構造体とするときにも、効率的にしかも寸法精度良く作製することができる。例えば、電極間をつなぐ微細なリード線や電解質膜に孔を穿けて電気的接続をとる構造などでは、複雑になりすぎ生産効率が十分ではないことがある。また成形しうるデバイス形状も非常に限定されてしまう。さらには不用意に電極間がショートしてしまい運動を長時間継続できなくなることもある。
これに対し、本実施形態1のアクチュエータデバイス10は上述のような不具合なく、良好な生産性を実現することができ、また集積化による設計自由度が高い。さらに、電極を過度に複雑に切り込むなどの加工も必要とせず、バリの発生等による電極間のショートの問題も解決しうる。さらにまた、中心電極層3を基体とした安定した製造態様が可能となる。つまり、最初に形状的に安定な中心電極層3を作製しておき、そこにより柔らかな電解質層を塗布・乾燥し、これを外側電極層1で挟みこむという、製造工程が可能になる。これにより形状的に安定した状態が工程を通じて維持され中間製品の取り扱い性が極めて高く、高品質化しうる製造工程を実現することができる。
In addition, since the actuator device 10 according to the first embodiment is a device having a plurality of electrodes having different expansion coefficients in a very simple laminated structure, it is difficult to produce a large amount on an industrial scale or to be complicated as described later. Even when a device is integrated into an actuator structure, it can be produced efficiently and with high dimensional accuracy. For example, a fine lead wire connecting electrodes and a structure in which a hole is formed in an electrolyte membrane to make an electrical connection may become too complicated and the production efficiency may not be sufficient. Moreover, the device shape which can be shape | molded will also be very limited. Furthermore, the electrodes may be inadvertently short-circuited, making it impossible to continue exercise for a long time.
On the other hand, the actuator device 10 according to the first embodiment can realize good productivity without the above-described problems and has a high degree of design freedom by integration. Furthermore, it is not necessary to process the electrodes in an excessively complicated manner, and the problem of shorting between the electrodes due to generation of burrs or the like can be solved. Furthermore, a stable production mode using the center electrode layer 3 as a substrate is possible. That is, a manufacturing process is possible in which the shape-stable center electrode layer 3 is first prepared, and then a soft electrolyte layer is applied and dried and sandwiched between the outer electrode layers 1. As a result, a state in which the shape is stable is maintained throughout the process, and the handling of the intermediate product is extremely high, and a manufacturing process capable of improving the quality can be realized.

本実施形態1のデバイス10において、電極層1及び3の厚さは特に限定されないが、後述するカーボンファイバーからなる板状電極層とする場合、例えば10〜1000μmとすることが好ましく、100〜500μmとすることがより好ましい。電解質膜層2の厚さはとくに限定されず、後述する電解質膜等を用いるような場合、例えば1〜100μmとすることが好ましく、10〜50μmとすることがより好ましい。本実施形態1のデバイス10においては、外側電極層1の広幅部1sと狭幅部1tとがデバイス長手方向(X方向)において同じ長さで交互に配設されている。しかし、この広幅部1sと狭幅部1tとの長さは特に限定されず、本実施形態と異なる形態、すなわち広幅部1sと狭幅部1tの長さを適宜に異なるものとしてもよい。換言すると、求められるデバイスの運動形態に合せて広幅部1sの幅及び長さ、さらに狭幅部1tの幅及び長さを調節することが好ましい。波長の短い小刻みな屈曲運動をさせるようなときには、例えば広幅部1sもしくは狭幅部1tの長さを1〜10mmとすることが好ましい。波長の長い大きくうねる屈曲運動をさせるようなときには、例えば広幅部1sもしくは狭幅部1tの長さを10〜100mmとすることが好ましい。   In the device 10 of the first embodiment, the thicknesses of the electrode layers 1 and 3 are not particularly limited. However, when a plate-like electrode layer made of carbon fiber to be described later is used, the thickness is preferably 10 to 1000 μm, for example, 100 to 500 μm. More preferably. The thickness of the electrolyte membrane layer 2 is not particularly limited. For example, when an electrolyte membrane described later is used, the thickness is preferably 1 to 100 μm, and more preferably 10 to 50 μm. In the device 10 of Embodiment 1, the wide portions 1s and the narrow portions 1t of the outer electrode layer 1 are alternately arranged with the same length in the device longitudinal direction (X direction). However, the lengths of the wide width portion 1s and the narrow width portion 1t are not particularly limited, and different forms from the present embodiment, that is, the lengths of the wide width portion 1s and the narrow width portion 1t may be appropriately different. In other words, it is preferable to adjust the width and length of the wide width portion 1s and further the width and length of the narrow width portion 1t in accordance with the required movement form of the device. For example, when the bending movement is performed with a short wavelength, it is preferable to set the length of the wide portion 1s or the narrow portion 1t to 1 to 10 mm, for example. For example, when the large and long bending motion with a long wavelength is performed, the length of the wide portion 1s or the narrow portion 1t is preferably 10 to 100 mm.

本実施形態1のデバイス10においては、例えば10mmの長さのアクチュエータの一端を固定して、振り子のように揺れる他端の移動量をストロークと規定した際に、例えば大きなストロークのデバイスとするようなときには、左右に6mm以上振れることが望ましい。   In the device 10 of the first embodiment, for example, when one end of an actuator having a length of 10 mm is fixed and the movement amount of the other end that swings like a pendulum is defined as a stroke, for example, a device with a large stroke is used. In such a case, it is desirable to swing 6 mm or more from side to side.

図3は、本発明のアクチュエータデバイスの別の実施形態(実施形態2)における要部を模式的に示す分解斜視図である。本実施形態2において、中心電極層3及び電解質膜層2の形状及び配置は上記本実施形態1と同様である。本実施形態2においては、外側電極の形状が本実施形態1とは異なるものとされている。具体的には、図3に示したように、外側電極層1に電極層の厚さを厚くした厚部1eと、これを薄くした薄部1gとを長手方向(X方向)に交互に配設している。そして、中心電極層3を挟んで、上側電極層1aの厚部1eないし薄部1gと、下側電極層1bの厚部1eないし薄部1gとが互いに実質的に重ならないようにされている。一般に電極層の厚い素子は、電極層の薄い素子よりも発生力が大きい。ここで外側電極層と中心電極層とに異なる極性の電圧を印加したとき、外側電極層1の厚部1eと電極層2の薄部1gに対応する素子の変形は、厚部1eと中心電極部3との組み合わせによって発生する発生力と、薄部1gと中心電極部3との組み合わせによって発生する発生力との差分に応じて変形する。すなわち、厚部が薄部より発生力が大きいため、変形の方向は例えば薄部が凹に変形する場合、厚部が凸に変形し、これにより全体が波打つように変形する(厚部と薄部とにおける凹凸変形の方向は電圧の極性により反転させることができる。)。   FIG. 3 is an exploded perspective view schematically showing a main part in another embodiment (embodiment 2) of the actuator device of the present invention. In the second embodiment, the shape and arrangement of the center electrode layer 3 and the electrolyte membrane layer 2 are the same as those in the first embodiment. In the second embodiment, the shape of the outer electrode is different from that of the first embodiment. Specifically, as shown in FIG. 3, the outer electrode layer 1 is formed by alternately arranging a thick portion 1e having a thickened electrode layer and a thin portion 1g having a thinned thickness in the longitudinal direction (X direction). Has been established. Further, the thick portion 1e to thin portion 1g of the upper electrode layer 1a and the thick portion 1e to thin portion 1g of the lower electrode layer 1b are not substantially overlapped with each other with the center electrode layer 3 interposed therebetween. . In general, an element having a thick electrode layer has a higher generation force than an element having a thin electrode layer. Here, when voltages having different polarities are applied to the outer electrode layer and the center electrode layer, the deformation of the element corresponding to the thick portion 1e of the outer electrode layer 1 and the thin portion 1g of the electrode layer 2 is changed between the thick portion 1e and the center electrode. It deforms according to the difference between the generated force generated by the combination with the portion 3 and the generated force generated by the combination of the thin portion 1 g and the center electrode portion 3. In other words, since the thick portion has a greater generated force than the thin portion, the direction of deformation is, for example, when the thin portion is deformed into a concave shape, and the thick portion is deformed into a convex shape, thereby deforming so that the whole is wavy (thick portion and thin portion). The direction of the uneven deformation at the part can be reversed by the polarity of the voltage.)

本実施形態2のアクチュエータデバイス20において、中心電極層3及び電解質膜層2の寸法の好ましい範囲は上述した本実施形態1におけるものと同様である。外側電極層1については、特に限定されないが、図示したもののように、その幅がデバイスの幅と同等であることが好ましい。外側電極層1の厚さについては、厚部1eと薄部1gとの厚さの比([薄部の厚さ]/[厚部の厚さ])が1/2から1/10程度であることが好ましい。具体的な厚さについては特に限定されないが例えば厚部を100μm〜400μm程度とすることが実際的であり、薄部を50μm〜100μmm程度とすることが実際的である。   In the actuator device 20 of the second embodiment, the preferred ranges of the dimensions of the center electrode layer 3 and the electrolyte membrane layer 2 are the same as those in the first embodiment described above. The outer electrode layer 1 is not particularly limited, but it is preferable that the width thereof is equal to the width of the device as illustrated. Regarding the thickness of the outer electrode layer 1, the ratio of the thicknesses of the thick part 1e and the thin part 1g ([thin part thickness] / [thick part thickness]) is about 1/2 to 1/10. Preferably there is. The specific thickness is not particularly limited, but for example, it is practical that the thick part is about 100 μm to 400 μm, and the thin part is practically about 50 μm to 100 μm.

図4は、本発明のアクチュエータデバイスのさらに別の実施形態(実施形態3)における要部を模式的に示す分解斜視図である。本実施形態3において、中心電極層3及び電解質膜層2の形状及び配置は上記本実施形態1と同様である。本実施形態2においては、外側電極層1に切込部1uを設け、この切込部1uと非切込部1wとが長手方向(X方向)に交合に配設されている。そして、中心電極層3を挟んで、上側電極層1aの切込部1uないし非切込部1wと、下側電極層1bの切込部1uないし非切込部1wとが互いに実質的に重ならないようにされている。ここで外側電極と中心電極層とに異なる極性の電圧を印加したとき、デバイスが大きなストロークで屈曲運動をする作用については本実施形態1のときと同様である。すなわち、本実施形態3においては外側電極層1の非切込部1wに対応する電解質膜層2の屈曲作用部2sにおいて大きな屈曲力が発生し、一方薄部1uに対応する部分における屈曲非作用部2tの屈曲力は小さいものとなる。その結果、各屈曲部における屈曲方向が反転し、上述した本実施形態1と同様に、隣接する屈曲部どうしに生じる力が互いに作用しあってデバイス全体として大きなストロークの屈曲運動を実現する。   FIG. 4 is an exploded perspective view schematically showing a main part in still another embodiment (Embodiment 3) of the actuator device of the present invention. In the third embodiment, the shape and arrangement of the center electrode layer 3 and the electrolyte membrane layer 2 are the same as those in the first embodiment. In the second embodiment, the outer electrode layer 1 is provided with a cut portion 1u, and the cut portion 1u and the non-cut portion 1w are disposed so as to intersect in the longitudinal direction (X direction). Then, with the center electrode layer 3 interposed, the cut portion 1u or non-cut portion 1w of the upper electrode layer 1a and the cut portion 1u or non-cut portion 1w of the lower electrode layer 1b substantially overlap each other. It is made not to become. Here, when voltages having different polarities are applied to the outer electrode and the center electrode layer, the action of the device bending with a large stroke is the same as in the first embodiment. That is, in the third embodiment, a large bending force is generated in the bending portion 2s of the electrolyte membrane layer 2 corresponding to the non-cut portion 1w of the outer electrode layer 1, while the bending inaction in the portion corresponding to the thin portion 1u. The bending force of the portion 2t is small. As a result, the bending direction in each bent portion is reversed, and the force generated between adjacent bent portions acts on each other as in the first embodiment to realize a bending motion with a large stroke as a whole device.

本実施形態3のアクチュエータデバイス30において、中心電極層3及び電解質膜層2の寸法の好ましい範囲は上述した本実施形態1におけるものとほぼ同様である。また、外側電極層1の厚さ及び幅の好ましい範囲も実施形態1で述べたのと同様に考えて良く、その理由は切込部を形成する目的が周囲から絶縁され、電極としての機能を低下させた部位を形成することであるため、切込部の面積を必ずしも大きくすることはなく、電極の切込みが微少であっても、上記効果が多きければ良いことから、両者の比率は、実施形態1の場合とほぼ同様に考えても良いことになる。外側電極層1に切込部を形成する場合に、切込部1uにおいて切込本数、切込長さ等は特に限定されない。ここで、切込部1uの面積と非切込部1wとの面積の比([切込部の面積]:[非切込部の面積])は、本実施形態1と同様に1:2〜1:100程度に設定することができ、この範囲に設定することが望ましい。なお、上記面積については本実施形態1における広幅部及び狭幅部においても対応し、好ましい範囲もそれぞれ上記非切込部及び切込部と同様である。   In the actuator device 30 according to the third embodiment, preferred ranges of the dimensions of the center electrode layer 3 and the electrolyte membrane layer 2 are substantially the same as those in the first embodiment described above. Further, the preferable range of the thickness and width of the outer electrode layer 1 may be considered in the same manner as described in the first embodiment, because the purpose of forming the cut portion is insulated from the surroundings and functions as an electrode. Since it is to form a reduced site, the area of the notch does not necessarily increase, even if the electrode notch is very small, since the above effect should be large, the ratio between them is This can be considered in substantially the same manner as in the first embodiment. In the case where the cut portion is formed in the outer electrode layer 1, the number of cuts, the cut length, and the like are not particularly limited in the cut portion 1u. Here, the ratio of the area of the cut portion 1u to the non-cut portion 1w ([area of the cut portion]: [area of the non-cut portion]) is 1: 2 as in the first embodiment. It can be set to about ˜1: 100, and is preferably set within this range. In addition, about the said area, it respond | corresponds also in the wide part and this narrow part in this Embodiment 1, and the preferable range is also the same as that of the said non-cut part and cut part, respectively.

上記の電解質膜層に用いられる材料は特に限定されず、例えばイオン導電性高分子膜でよいが、なかでもイオン導電性高分子膜であることが好ましい。イオン導電性高分子膜をなす高分子電解質ゲルとしては、フッ素系イオン交換樹脂が挙げられ、例えば、ポリエチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基・カルボシル基などの親水性官能基を導入したものを用いることができる。このような樹脂としては、例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂(商品名「Nafion」、DuPont社製)、パーフルオロカルボン酸(商品名「フレミオン」、旭硝子社製)、ACIPLEX(商品名:旭化成工業社製)、NEOSEPTA(商品名:トクヤマ社製)を用いることができる。容易に入手できる点では、DuPont社製のNafionが好ましい。   The material used for the electrolyte membrane layer is not particularly limited, and may be, for example, an ion conductive polymer membrane. Among them, an ion conductive polymer membrane is preferable. Examples of the polymer electrolyte gel forming the ion conductive polymer membrane include a fluorine-based ion exchange resin. For example, a polymer obtained by introducing a hydrophilic functional group such as a sulfonic acid group or a carbosyl group into polyethylene or fluororesin is used. be able to. Examples of such resins include perfluorosulfonic acid resin (trade name “Nafion”, manufactured by DuPont), perfluorocarboxylic acid (trade name “Flemion”, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), ACIPLEX (trade name: Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.). NEOSEPTA (trade name: manufactured by Tokuyama Co., Ltd.). From the viewpoint of easy availability, Nafion manufactured by DuPont is preferable.

またイオン交換樹脂として陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂のいずれも使用することができ、それらを組み合わせて用いてもよい。陽イオン交換樹脂としては、ポリスチレンスルホン酸、スルホン基やカルボキシル基をもつフッ素系イオン交換樹脂等が挙げられる。陰イオン交換樹脂としては、アンモニウム基を含んだフッ素系イオン交換樹脂等が挙げられる。   Moreover, both a cation exchange resin and an anion exchange resin can be used as an ion exchange resin, and they may be used in combination. Examples of the cation exchange resin include polystyrene sulfonic acid, a fluorine ion exchange resin having a sulfone group and a carboxyl group, and the like. Examples of the anion exchange resin include a fluorine ion exchange resin containing an ammonium group.

中心電極層及び外側電極層は導電性の材料であれば特に限定されないが、例えば下記のカーボンナノファイバーを用いたものが好ましい。具体的には、カーボンナノファイバー(CNF)とイオン性液体(IL)を混合し、乳鉢を用いて練り合わせることにより、ゲル化させる。次いで、ILが疎水性の場合には疎水性溶媒のみに、あるいは、ILが親水性の場合には疎水性溶媒および親水性溶媒の混合溶媒に、ポリマー(例えば、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))とともにCNFゲルを分散させて、電極層形成用分散液を調製することができる。   The center electrode layer and the outer electrode layer are not particularly limited as long as they are conductive materials. For example, those using the following carbon nanofibers are preferable. Specifically, the carbon nanofiber (CNF) and the ionic liquid (IL) are mixed and kneaded using a mortar to be gelled. Next, the polymer (for example, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer) is added only to the hydrophobic solvent when the IL is hydrophobic, or to the mixed solvent of the hydrophobic solvent and the hydrophilic solvent when the IL is hydrophilic. A dispersion liquid for electrode layer formation can be prepared by dispersing CNF gel together with a polymer (PVDF).

イオン性液体(IL)として具体的には、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(EMIBF)、ブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(BM
IBF)、4級アンモニウムカチオン・テトラフルオロボレート塩(広栄化学社製、A
−3(商品名))、4級アンモニウムカチオン・(トリフルオロメタンスルホニル)イミド[(CFSO)]塩(広栄化学社製、A−4(商品名))が挙げられる。ここで、A−3、A−4のカチオンの構造は、[N(CH)(CH)(C)(COCOCH)]である。
Specific examples of the ionic liquid (IL) include ethylmethylimidazolium tetrafluoroborate (EMIBF 4 ), butylmethylimidazolium tetrafluoroborate (BM).
IBF 4 ), quaternary ammonium cation / tetrafluoroborate salt (Guangei Chemical Co., A
-3 (trade name)), quaternary ammonium cation / (trifluoromethanesulfonyl) imide [(CF 3 SO 2 ) 2 N ] salt (A-4 (trade name) manufactured by Guangei Chemical Co., Ltd.). Here, the structure of the cation of A-3 and A-4 is [N (CH 3 ) (CH 3 ) (C 2 H 5 ) (C 2 H 4 OC 2 H 4 OCH 3 )] + .

カーボンナノファイバー(CNF)として具体的には、群栄化学株式会社製「ACNF
25(商品名)」(比表面積2500m/g)が挙げられる。
Specifically, as carbon nanofiber (CNF), “ACNF” manufactured by Gunei Chemical Co., Ltd.
25 (trade name) "(specific surface area 2500 m 2 / g).

上記材料によるデバイスの作製方法として具体的には、カーボンナノファイバー、イオン性液体、ポリマー、および溶媒からなる分散液、ならびに、イオン性液体、ポリマーおよび溶媒からなる溶液を、キャスト、塗布、印刷、押し出し、または射出し、乾燥して積層することにより、電極層およびイオン伝導層を形成することができる。さらに具体的に、例えば電極層、イオン伝導層、電極層の順に、キャストを行い、室温で一昼夜溶媒を乾燥させ、次いで、真空乾燥を行い、アクチュエータ素子を得ることができる。   Specifically, as a method for producing a device using the above materials, a dispersion composed of carbon nanofibers, an ionic liquid, a polymer and a solvent, and a solution composed of an ionic liquid, a polymer and a solvent are cast, applied, printed, The electrode layer and the ion conductive layer can be formed by extruding or injecting, drying and laminating. More specifically, for example, casting may be performed in the order of the electrode layer, the ion conductive layer, and the electrode layer, and the solvent may be dried overnight at room temperature, followed by vacuum drying to obtain an actuator element.

図5は、図1に示したアクチュエータデバイスを組み合わせて構成したアクチュエータ構造体の一実施形態(面状アクチュエータ構造体)を模式的に示す正面図である。このアクチュエータ構造体51においては、各デバイスの屈曲部が二次元的に接続され平板状に配列されている。このようにすることで、支持体55aおよび55bを運動方向52の方向に直動運動するだけではなく、運動方向53に対しても直動運動するものである。さらには方向52及び53を組み合わせた複雑な運動をさせることもできる。また、その構造上、振幅の大きさを運動方向52の方向に対してより大きくとることができ、方向52において引く力より押す力を大きくすることができる。   FIG. 5 is a front view schematically showing an embodiment (planar actuator structure) of an actuator structure configured by combining the actuator devices shown in FIG. 1. In the actuator structure 51, the bent portions of the devices are two-dimensionally connected and arranged in a flat plate shape. In this way, the supports 55 a and 55 b not only move linearly in the direction of the movement direction 52 but also move linearly in the movement direction 53. Furthermore, a complicated motion combining the directions 52 and 53 can be performed. Further, due to the structure, the magnitude of the amplitude can be made larger with respect to the direction of the movement direction 52, and the pressing force can be made larger than the pulling force in the direction 52.

このような面状アクチュエータ構造体は、例えば下記のようにして作製することができる。まず、面状の中心電極層の両面に高分子電解質層を設け、さらにその両面に外側電極層を設ける。この面状アクチュエータ素材の開口部54に対応する部分に切れ目を網目状にいれることにより作製することができる。さらに、必要に応じて切れ目加工後のシートに、切れ目の部分が稜および谷となるように交互に折り畳んで折り目づけ加工をしてもよい。この折り目により、所望の方向にアクチュエータの屈曲部を屈曲させやすくなり、安定した運動性能を実現することができる。   Such a planar actuator structure can be manufactured as follows, for example. First, a polymer electrolyte layer is provided on both sides of a planar center electrode layer, and an outer electrode layer is provided on both sides thereof. The sheet actuator can be manufactured by making a cut at the portion corresponding to the opening 54 of the planar actuator material. Furthermore, if necessary, the sheet after the cut processing may be folded and alternately folded so that the cut portions become ridges and valleys. This crease makes it easy to bend the bent portion of the actuator in a desired direction, thereby realizing stable motion performance.

図6は、上記の面状アクチュエータ構造体における領域VIを拡大して示した正面図である。同図に示したとおり、このアクチュエータ構造体は、外側電極層1(上側電極層1a、下側電極層1b)、電解質膜層2(上側電解質膜層2a、下側電解質膜層2b)、及び中心電極層3を有する。そして、外側電極層と中心電極層とに互いに異なる極性の電圧が印加され、1つのデバイスの各屈曲部u,u,u...が互いに反対方向に屈曲した状態となっている。ここで、中央の屈曲部uについてみると、上側電極層1aの方向に凹形状となるように各列の屈曲部uが屈曲している(同図では、図面上方から1列目、2列目、3列目、4列目の4列のアクチュエータデバイスが示されている。)。ここで、隣接する屈曲部列どうし(1列目と2列目、3列目と4列目)は、折り目pを介して互い逆方向(方向52)に屈曲している。そして屈曲部uに隣接する屈曲部u,uは曲率が反転して逆方向に屈曲し、上記のデバイス列ごとの曲率の反転と相俟って、2次元的に広く網目状に開口部54が開閉する面状アクチュエータ構造体(図5)が構成されている。 FIG. 6 is an enlarged front view showing a region VI in the planar actuator structure. As shown in the figure, the actuator structure includes an outer electrode layer 1 (upper electrode layer 1a, lower electrode layer 1b), an electrolyte membrane layer 2 (upper electrolyte membrane layer 2a, lower electrolyte membrane layer 2b), and A center electrode layer 3 is provided. Then, voltages having different polarities are applied to the outer electrode layer and the center electrode layer, and the bent portions u 1 , u 2 , u 3 . . . Are bent in opposite directions. Here, looking at the center of the bent portion u 2, in (FIG bent portion u 2 is bent in each column so that the concave shape in the direction of the upper electrode layer 1a, 1 column from the drawings above, The actuator devices in the second row, the third row, the fourth row, and the fourth row are shown). Here, adjacent bent portion rows (first row, second row, third row and fourth row) are bent in opposite directions (direction 52) via the fold p. The bent portions u 1 and u 3 adjacent to the bent portion u 2 are bent in the opposite direction with the curvature reversed, and coupled with the inversion of the curvature for each device row, the two-dimensionally wide mesh shape. A planar actuator structure (FIG. 5) in which the opening 54 opens and closes is configured.

本発明のアクチュエータデバイスは、上述した面状アクチュエータ構造体以外にも、円筒状アクチュエータ構造体、円盤状膜積層型アクチュエータ構造体などに構成してもよい(上記各アクチュエータ構造体については例えば特開2007−118159号公報参照)。また、本発明のアクチュエータデバイスは、その優れた運動性能と大きなストロークとを利用して各種の用途に利用することができ、例えば汎用アクチュエータ、触覚デバイス、凹凸形状が変化する有機ELなどの表示デバイス、チューブポンプ、自走デバイスなどに好適に利用することができる。   In addition to the planar actuator structure described above, the actuator device of the present invention may be configured as a cylindrical actuator structure, a disk-shaped film laminated actuator structure, or the like. 2007-118159). In addition, the actuator device of the present invention can be used for various applications by utilizing its excellent motion performance and a large stroke, for example, a display device such as a general-purpose actuator, a tactile device, or an organic EL whose uneven shape changes. , Tube pumps, self-propelled devices and the like.

本発明のアクチュエータデバイスの一実施形態における要部を模式的に示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows typically the principal part in one Embodiment of the actuator device of this invention. 図1に示したデバイスを屈曲運動させたときの形態を模式的に示した斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a form when the device shown in FIG. 1 is bent. 本発明のアクチュエータデバイスの別の実施形態における要部を模式的に示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows typically the principal part in another embodiment of the actuator device of this invention. 本発明のアクチュエータデバイスのさらに別の実施形態における要部を模式的に示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows typically the principal part in another embodiment of the actuator device of this invention. 本発明のアクチュエータ構造体を模式的に示す正面図である。It is a front view which shows typically the actuator structure of this invention. 図5に示した領域VIを拡大して示す正面図である。FIG. 6 is an enlarged front view showing a region VI shown in FIG. 5. 電解質膜の電圧印加にする変形性を模式的に示す正面図である。It is a front view which shows typically the deformability which makes the voltage application of an electrolyte membrane.

符号の説明Explanation of symbols

1、1a、1b 外側電極層
2、2a、2b 電解質膜層
3 中心電極層
10、20、30 アクチュエータデバイス
51 アクチュエータ構造体
52、53 運動方向
54、 開口部
55a、55b 支持体
71 電解質膜
72 電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b Outer electrode layer 2, 2a, 2b Electrolyte membrane layer 3 Center electrode layer 10, 20, 30 Actuator device 51 Actuator structure 52, 53 Movement direction 54, Opening 55a, 55b Support body 71 Electrolyte membrane 72 Electrode

Claims (7)

中心電極層の両側に電解質膜層を設け、さらに該電解質膜層の外側にそれぞれ外側電極層を設けたアクチュエータデバイスであって、該デバイスは互いに隣りあうように連なって配置された複数の屈曲部に区分され、この複数の屈曲部は前記中心電極層及び外側電極層に電圧を印加したときに互いに隣り合う屈曲部どうし反対方向に屈曲することを特徴とするアクチュエータデバイス。   An actuator device in which an electrolyte membrane layer is provided on both sides of a central electrode layer, and an outer electrode layer is further provided on the outside of the electrolyte membrane layer, wherein the device has a plurality of bent portions arranged adjacent to each other. The plurality of bent portions are bent in opposite directions to each other when the voltage is applied to the central electrode layer and the outer electrode layer. 前記互いに隣りあうように連なって配置されたアクチュエータデバイスの屈曲部に電圧を印加したときの前記電解質膜層の屈曲作用部が、互いに隣り合う屈曲部において、前記中心電極層のそれぞれ反対の面側にあることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータデバイス。   The bending portions of the electrolyte membrane layer when the voltage is applied to the bending portions of the actuator devices arranged so as to be adjacent to each other, the bending action portions of the electrolyte membrane layers are adjacent to each other on the opposite side of the center electrode layer. The actuator device according to claim 1, wherein 前記電解質膜層及び外側電極層はいずれも前記中心電極層の両側で前記複数の屈曲部に亙りデバイス長手方向に連続して積層配設されており、前記外側電極層は隣接する屈曲部ごとに交互に広幅部と狭幅部とを有し、かつ、前記外側電極層の広幅部もしくは狭幅部どうしが前記中心電極層を挟んで該中心電極の反対の面側に位置する外側電極と、互いに実質的に重ならないことを特徴とする請求項1又は2に記載のアクチュエータデバイス。   The electrolyte membrane layer and the outer electrode layer are both laminated in the longitudinal direction of the device across the plurality of bent portions on both sides of the central electrode layer, and the outer electrode layer is provided for each adjacent bent portion. An outer electrode that alternately has a wide portion and a narrow portion, and the wide portion or the narrow portion of the outer electrode layer is located on the opposite surface side of the central electrode with the central electrode layer in between, The actuator device according to claim 1, wherein the actuator devices do not substantially overlap each other. 前記電解質膜層及び前記外側電極層はいずれも前記中心電極層の両側で前記複数の屈曲部に亙りデバイス長手方向に連続して積層配設されており、前記外側電極層は隣接する屈曲部ごとに交互に層厚部と層薄部とを有し、かつ、前記外側電極層の層厚部もしくは層薄部どうしが前記中心電極層を挟んで該中心電極の反対の面側に位置する外側電極と、互いに実質的に重ならないことを特徴とする請求項1又は2に記載のアクチュエータデバイス。   The electrolyte membrane layer and the outer electrode layer are both laminated in the longitudinal direction of the device across the plurality of bent portions on both sides of the central electrode layer, and the outer electrode layer is provided for each adjacent bent portion. And an outer side where the layer thickness part or the layer thin part of the outer electrode layer is located on the opposite surface side of the center electrode layer. The actuator device according to claim 1, wherein the electrode does not substantially overlap each other. 前記各屈曲部に配置され、前記中心電極を挟んで反対面側に位置する外側電極は、一方が膨張し、他方が収縮することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアクチュエータデバイス。   5. The outer electrode disposed on each of the bent portions and positioned on the opposite side with the central electrode interposed therebetween is expanded at one side and contracted at the other side. Actuator device. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のアクチュエータデバイスが屈曲して屈曲運動する場合に、前記中心電極層が屈曲運動して形成される屈曲図形の中心線となることを特徴とするアクチュエータデバイス。   6. The actuator according to claim 1, wherein when the actuator device according to claim 1 is bent and bent, the center electrode layer serves as a center line of a bent figure formed by bending. device. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のアクチュエータデバイスを、面状のアクチュエータ構造体とするか、あるいは3次元的に組み合わせた円筒状のアクチュエータ構造体又は円盤状のアクチュエータ構造体としたことを特徴とするアクチュエータ構造体。   The actuator device according to any one of claims 1 to 6 is a planar actuator structure, or a cylindrical actuator structure or a disk-shaped actuator structure combined three-dimensionally. An actuator structure characterized by the above.
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