JP2010239784A - Actuator element - Google Patents

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Tomokazu Sendai
智一 千代
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an actuator element which expands and contracts upon voltage application, and improves the amount of expansion and contraction. <P>SOLUTION: The actuator element includes a spring-shaped structure having a coil-shaped spring which is formed by winding a linear member into a spiral shape and is capable of expansion and contraction, and a thin-film part with properties to expand and contract in response to application of a voltage. The thin-film part is fixed at the outer periphery of the linear member, and is spirally extended along an axis line of the linear member. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、アクチュエータ素子に関し、特に、電圧を印加することによって伸縮するアクチュエータ素子に関する。   The present invention relates to an actuator element, and more particularly to an actuator element that expands and contracts when a voltage is applied.

医療用ロボット、福祉用ロボット、産業用ロボット、マイクロマシンなどの分野において、小型かつ軽量で、柔軟性に富むアクチュエータ素子の必要性が高まっている。   In the fields of medical robots, welfare robots, industrial robots, micromachines, etc., there is an increasing need for actuator elements that are small, light, and flexible.

特に、低電圧で駆動し、応答性が速く、柔軟性に富み、小型化および軽量化が容易で、単位重量または単位体積当たりの発生力が大きく、しかも小電力で動作するアクチュエータ素子として、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリンおよびポリチオフェンなどの導電性高分子を用いたアクチュエータ素子(以下、「導電性高分子アクチュエータ素子」という)が注目されている。   In particular, polyacetylene is used as an actuator element that is driven at a low voltage, has quick response, is flexible, is easy to reduce in size and weight, has a large generated force per unit weight or unit volume, and operates with low power. Attention has been focused on actuator elements using conductive polymers such as polypyrrole, polyaniline and polythiophene (hereinafter referred to as “conductive polymer actuator elements”).

これらの導電性高分子は、電気化学的な酸化還元によって伸縮または変形する現象、いわゆる電解伸縮を発現することが知られており、導電性高分子アクチュエータ素子は、導電性高分子における電解伸縮作用を利用して、アクチュエータとして機能させるように構成される。   These conductive polymers are known to develop a phenomenon that expands or deforms by electrochemical oxidation-reduction, so-called electrolytic expansion and contraction. Is configured to function as an actuator.

このような導電性高分子アクチュエータ素子が、たとえば特許文献1に開示されている。このアクチュエータ素子は、導電性高分子と、コイル型の金属性ばね状部材または金属メッシュなどによって実現される伸縮性および導電性を有する導電性基体とによって構成される構造体を有しており、該構造体は、導電性基体を構成している各線材の間の空間を導電性高分子によって埋めるように、導電性高分子と導電性基体とが複合化されて形成されている。このように構成することによって、構造体の全体に十分な電圧が印加されることを可能にするとともに、線材を補強材として機能させて、アクチュエータ素子の機械的強度の向上を図っている。   Such a conductive polymer actuator element is disclosed in Patent Document 1, for example. This actuator element has a structure composed of a conductive polymer and a conductive base having elasticity and conductivity realized by a coil-type metallic spring-like member or a metal mesh. The structure is formed by combining a conductive polymer and a conductive substrate so that a space between each wire constituting the conductive substrate is filled with the conductive polymer. With this configuration, a sufficient voltage can be applied to the entire structure, and the wire rod functions as a reinforcing material to improve the mechanical strength of the actuator element.

特開2004−216868号公報JP 2004-216868 A

電解伸縮する導電性高分子によって形成されたフィルム体は、印加される電圧の大きさに応じて伸縮する変位量(以下、「伸縮量」という)も大きくなるが、その伸縮量は、フィルム体自身の長さに対して1〜2%と非常に小さい。したがって、このようなフィルム体を利用した従来のアクチュエータ素子では、十分な伸縮動作をさせることができず、すなわち十分な発生力を得ることができず、たとえば人工筋肉およびロボットアームの関節などといった実用的な用途における駆動源として用いることができないという問題がある。   A film body formed of a conductive polymer that expands and contracts electrolytically has a large amount of displacement (hereinafter referred to as “stretching amount”) that expands and contracts depending on the magnitude of an applied voltage. It is as small as 1-2% of its own length. Therefore, a conventional actuator element using such a film body cannot perform a sufficient expansion / contraction operation, that is, a sufficient generated force cannot be obtained. For example, artificial muscles and joints of robot arms are practically used. There is a problem that it cannot be used as a drive source in typical applications.

特許文献1では、より大きな伸縮量を得るためには素子自体のサイズを大きくすることを前提とし、サイズを大きくした場合に生じる問題について解決している。すなわち、特許文献1によれば、より大きな伸縮量を得るためには、素子自体のサイズを大きくしなければならない。   In Patent Document 1, in order to obtain a larger expansion / contraction amount, it is assumed that the size of the element itself is increased, and a problem that occurs when the size is increased is solved. That is, according to Patent Document 1, in order to obtain a larger expansion / contraction amount, the size of the element itself must be increased.

本発明の目的は、電圧の印加によって伸縮するアクチュエータ素子であって、伸縮量を向上することのできるアクチュエータ素子を提供することである。   An object of the present invention is to provide an actuator element that expands and contracts by application of a voltage and that can improve the amount of expansion and contraction.

本発明は、線状部材を螺旋状に巻回して形成され、伸縮可能なコイル状のばね部と、
電圧が印加されると伸縮する性質を有する薄膜部とを有するばね状構造体を備えるアクチュエータ素子であって、
前記薄膜部が、前記ばね部の外周部に対して固定されて設けられ、該ばね部の軸線に沿って螺旋状に延在していることを特徴とするアクチュエータ素子である。
The present invention is formed by winding a linear member in a spiral shape, and a coiled spring portion that can be expanded and contracted,
An actuator element comprising a spring-like structure having a thin film portion having a property of expanding and contracting when a voltage is applied,
The actuator element is characterized in that the thin film portion is provided fixed to the outer peripheral portion of the spring portion, and extends spirally along the axis of the spring portion.

また本発明は、前記薄膜部は、導電性高分子によって形成されていることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the thin film portion is formed of a conductive polymer.

また本発明は、前記ばね部には、電極層が前記ばね部の軸線に沿って螺旋状に設けられ、前記薄膜部は該電極層に積層されて螺旋状に設けられることを特徴とする。   In the present invention, the spring portion is provided with an electrode layer in a spiral shape along the axis of the spring portion, and the thin film portion is provided on the electrode layer in a spiral shape.

本発明によれば、螺旋状に延びる薄膜部の螺旋方向への伸縮量を、ばね部の軸線方向へのばね状構造体の伸縮量に変換することができる。そして、このような伸縮量の変換によって、薄膜部が伸縮する伸縮量よりも大きな伸縮量で、ばね状構造体を伸縮させることができる。   According to the present invention, the expansion / contraction amount in the spiral direction of the thin film portion extending in a spiral shape can be converted into the expansion / contraction amount of the spring-like structure in the axial direction of the spring portion. And by such conversion of the amount of expansion and contraction, the spring-like structure can be expanded and contracted with a larger amount of expansion and contraction than the amount of expansion and contraction that the thin film portion expands and contracts.

本発明の第1の実施形態に係るアクチュエータ素子1を備えるアクチュエータ装置100の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the actuator apparatus 100 provided with the actuator element 1 which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1Aに示すアクチュエータ装置100の平面図である。It is a top view of the actuator apparatus 100 shown to FIG. 1A. 図1Aにおける切断面線I−Iから見た断面図である。It is sectional drawing seen from the cut surface line II in FIG. 1A. アクチュエータ素子1に備えられるばね状構造体11の構成の一部を概略的に示す斜視図である。2 is a perspective view schematically showing a part of the configuration of a spring-like structure 11 provided in the actuator element 1. FIG. 第2の実施形態に係るアクチュエータ素子1aを構成するばね状構造体11aを説明するための図であり、図3(a)は、ばね状構造体11aの一部を拡大して示す斜視図であり、図3(b)は、図3(a)における切断面線III−IIIから見た断面図である。It is a figure for demonstrating the spring-like structure 11a which comprises the actuator element 1a which concerns on 2nd Embodiment, Fig.3 (a) is a perspective view which expands and shows a part of spring-like structure 11a. FIG. 3 (b) is a cross-sectional view taken along section line III-III in FIG. 3 (a). 第3の実施形態に係るアクチュエータ素子1bを説明するための図であり、図4(a)は、ばね状構造体11aの一部を拡大して示す斜視図であり、図4(b)は、図4(a)における切断面線IV−IVから見た断面図である。It is a figure for demonstrating the actuator element 1b which concerns on 3rd Embodiment, Fig.4 (a) is a perspective view which expands and shows a part of spring-like structure 11a, FIG.4 (b) is FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along section line IV-IV in FIG. 第4の実施形態に係るアクチュエータ装置100cの構成を概略的に示す斜視図である。It is a perspective view showing roughly the composition of actuator device 100c concerning a 4th embodiment.

図1Aは、本発明の第1の実施形態に係るアクチュエータ素子1を備えるアクチュエータ装置100の構成を概略的に示す断面図である。図1Bは、図1Aに示すアクチュエータ装置100の平面図である。図1Cは、図1Aにおける切断面線I−Iから見た断面図である。   FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing a configuration of an actuator device 100 including the actuator element 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a plan view of the actuator device 100 shown in FIG. 1A. FIG. 1C is a cross-sectional view taken along section line II in FIG. 1A.

アクチュエータ装置100は、電圧を印加することによって伸縮するばね状構造体11を有するアクチュエータ素子1と、可動部2と、筐体3と、底板4と、封止材5a,5b,5cと、案内部材6とを備える。アクチュエータ装置100は、ばね状構造体11を伸縮させることによって、可動部2が筐体3の軸線方向Pに沿って直線往復運動するように構成されている。すなわち、アクチュエータ装置100は、この可動部2を直線往復運動させることによって、アクチュエータ素子1において発生する力を、アクチュエータ装置100の外部に伝達することができるように構成されている。   The actuator device 100 includes an actuator element 1 having a spring-like structure 11 that expands and contracts by applying a voltage, a movable portion 2, a housing 3, a bottom plate 4, sealing materials 5a, 5b, and 5c, and a guide. And a member 6. The actuator device 100 is configured such that the movable portion 2 linearly reciprocates along the axial direction P of the housing 3 by expanding and contracting the spring-like structure 11. That is, the actuator device 100 is configured so that the force generated in the actuator element 1 can be transmitted to the outside of the actuator device 100 by reciprocating the movable portion 2 linearly.

アクチュエータ素子1は、円筒コイルばね状に形成された前記ばね状構造体11と、電解質溶液12と、作用電極13と、対向電極14と、作用電極13および対向電極14に電圧を印加する電源15とを備える。アクチュエータ素子1の詳細については後述する。   The actuator element 1 includes a spring-like structure 11 formed in the shape of a cylindrical coil spring, an electrolyte solution 12, a working electrode 13, a counter electrode 14, and a power source 15 that applies a voltage to the working electrode 13 and the counter electrode 14. With. Details of the actuator element 1 will be described later.

可動部2は、一体的に形成されている構成要素であり、円形板状の円板部2aと、直円柱状の軸部2bとを有する。円板部2aは、円板部2aの中心軸線と軸部2bの中心軸線とが一致するように、軸部2bの一端部に設けられている。また円板部2aは、軸部2bの外径よりも大きな外径を有し、後述する直円柱状の内部空間Sの外径よりも小さな外径を有する。   The movable part 2 is a component that is integrally formed, and includes a circular plate-like disk part 2a and a right cylindrical column part 2b. The disc portion 2a is provided at one end of the shaft portion 2b so that the center axis of the disc portion 2a matches the center axis of the shaft portion 2b. Moreover, the disc part 2a has an outer diameter larger than the outer diameter of the axial part 2b, and has an outer diameter smaller than the outer diameter of the right cylindrical internal space S mentioned later.

筐体3は、直円筒状に一体的に形成されている構成要素であり、ばね収容部3aと、軸部案内部3bとを有する。筐体3は、電気絶縁性を有する部材によって構成されている。ばね収容部3aと軸部案内部3bとは互いに異なる内径を有しており、したがって、筐体3の内壁面部には軸線方向Pに段差が形成されている。   The housing | casing 3 is a component integrally formed in the right cylinder shape, and has the spring accommodating part 3a and the axial part guide part 3b. The housing | casing 3 is comprised by the member which has electrical insulation. The spring accommodating portion 3 a and the shaft guide portion 3 b have different inner diameters, and accordingly, a step is formed in the axial direction P on the inner wall surface portion of the housing 3.

ばね収容部3aは、軸部案内部3bの内径よりも大きな内径を有し、伸張状態におけるばね状構造体11の伸縮方向(すなわち、後述する軸線J2方向)の長さに比べて十分大きな長さで筐体3の軸線方向Pに沿って延びている。ばね収容部3aには、ばね状構造体11、および可動部2の円板部2aが収容される。ばね収容部3aにおける内壁面部には、該内壁面に沿って円筒状の後述する対向電極14が設けられる。   The spring accommodating portion 3a has an inner diameter larger than the inner diameter of the shaft portion guide portion 3b, and is sufficiently longer than the length of the spring-like structure 11 in the expanded state in the expansion / contraction direction (that is, the axis J2 direction described later). Now, it extends along the axial direction P of the housing 3. The spring accommodating portion 3a accommodates the spring-like structure 11 and the disc portion 2a of the movable portion 2. A cylindrical counter electrode 14 to be described later is provided along the inner wall surface on the inner wall surface portion of the spring accommodating portion 3a.

軸部案内部3bは、可動部2の軸部2bの外径よりも僅かに大きな内径を有し、該軸部2bの長手方向の長さよりも短い長さで軸線方向Pに沿って延びている。軸部案内部3bの内壁面部には、後述する封止材5aおよび案内部材6が取り付けられる。   The shaft portion guide portion 3b has an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the shaft portion 2b of the movable portion 2, and extends along the axial direction P with a length shorter than the length in the longitudinal direction of the shaft portion 2b. Yes. A sealing material 5a and a guide member 6 to be described later are attached to the inner wall surface of the shaft guide portion 3b.

底板4は、円形板状の部材によって構成され、筐体3の外径と同一または略同一の外径を有する。底板4は、電気絶縁性を有する部材によって構成されている。底板4は、筐体3におけるばね収容部3aの開口端部を塞ぐように、筐体3に対して取り付けられる。筐体3への取り付けに際して、ばね収容部3aと底板4との間には後述する封止材5bが設けられる。   The bottom plate 4 is formed of a circular plate-like member and has an outer diameter that is the same as or substantially the same as the outer diameter of the housing 3. The bottom plate 4 is configured by a member having electrical insulation. The bottom plate 4 is attached to the housing 3 so as to close the open end of the spring accommodating portion 3 a in the housing 3. When attaching to the housing 3, a sealing material 5 b described later is provided between the spring accommodating portion 3 a and the bottom plate 4.

また、底板4には、一表面から他表面に向かって底板4の中心軸線に沿って貫通する貫通孔が形成される。該貫通孔を規定する壁面部には、後述する封止材5cが取り付けられ、該貫通孔には、後述する作用電極13が挿通される。   Further, the bottom plate 4 is formed with a through hole penetrating along the central axis of the bottom plate 4 from one surface to the other surface. A sealing material 5c, which will be described later, is attached to the wall surface part that defines the through hole, and a working electrode 13, which will be described later, is inserted into the through hole.

この底板4を筐体3に対して取り付けることによって、筐体3の内部には、内部空間Sが形成される。すなわち、内部空間Sは、ばね収容部3aの内壁面部に設けられる対向電極14、筐体3内に形成される段差面部、および底板4の一方の表面部によって囲われる空間である。内部空間Sは密閉された空間であり、該内部空間Sには、後述する電解質溶液12が充填される。   By attaching the bottom plate 4 to the housing 3, an internal space S is formed inside the housing 3. That is, the internal space S is a space surrounded by the counter electrode 14 provided on the inner wall surface portion of the spring accommodating portion 3 a, the step surface portion formed in the housing 3, and one surface portion of the bottom plate 4. The internal space S is a sealed space, and the internal space S is filled with an electrolyte solution 12 described later.

封止材5a〜5cは、内部空間Sに充填される電解質溶液12が、内部空間Sから外部へ漏れ出すことを防止するために設けられるリング状の部材である。封止材5a〜5cは、電気絶縁性を有する部材によって構成されている。   The sealing materials 5a to 5c are ring-shaped members provided to prevent the electrolyte solution 12 filled in the internal space S from leaking from the internal space S to the outside. Sealing material 5a-5c is comprised by the member which has electrical insulation.

封止材5aは、筐体3の軸部案内部3bにおける内壁面部に取り付けられ、詳細には、ばね収容部3aに隣接する側の端部近傍に、公知の接着手段によって固定して取り付けられる。また封止材5aには、可動部2の軸部2bが挿通される。すなわち、封止材5aは、筐体3の軸部案内部3bと軸部案内部3bに挿通された可動部2の軸部2bとの間に形成される間隙から電解質溶液12が漏れ出すことを防止している。封止材5aに挿通された可動部2の軸部2bは、軸線方向Pに沿って直線往復運動する際に、封止材5aに対して摺動する。   The sealing material 5a is attached to the inner wall surface portion of the shaft portion guide portion 3b of the housing 3, and specifically, is fixed and attached to the vicinity of the end portion on the side adjacent to the spring accommodating portion 3a by a known adhesive means. . The shaft portion 2b of the movable portion 2 is inserted through the sealing material 5a. That is, in the sealing material 5a, the electrolyte solution 12 leaks from a gap formed between the shaft portion guide portion 3b of the housing 3 and the shaft portion 2b of the movable portion 2 inserted through the shaft portion guide portion 3b. Is preventing. The shaft portion 2b of the movable portion 2 inserted through the sealing material 5a slides relative to the sealing material 5a when linearly reciprocating along the axial direction P.

封止材5bは、筐体3におけるばね収容部3aの開口端部と底板4との間に間隙が形成されないように、公知の接着手段によって固定して取り付けられる。すなわち、封止材5bは、筐体3と筐体3に取り付けられた底板4との間から電解質溶液12が漏れ出すことを防止している。   The sealing material 5b is fixed and attached by a known bonding means so that no gap is formed between the opening end of the spring accommodating portion 3a in the housing 3 and the bottom plate 4. That is, the sealing material 5 b prevents the electrolyte solution 12 from leaking from between the housing 3 and the bottom plate 4 attached to the housing 3.

封止材5cは、底板4に形成された貫通孔を規定する壁面部に、公知の接着手段によって固定して取り付けられる。また封止材5cには、後述する作用電極13が挿通される。すなわち、封止材5cは、底板4の貫通孔を規定する壁面部と該貫通孔に挿通される作用電極13との間に形成される間隙から電解質溶液12が漏れ出すことを防止している。   The sealing material 5c is fixed and attached to a wall surface part that defines a through hole formed in the bottom plate 4 by a known bonding means. A working electrode 13 described later is inserted through the sealing material 5c. That is, the sealing material 5c prevents the electrolyte solution 12 from leaking from the gap formed between the wall surface part defining the through hole of the bottom plate 4 and the working electrode 13 inserted through the through hole. .

案内部材6は、たとえばベアリングによって実現され、筐体3の軸部案内部3bにおける内壁面部に設けられ、可動部2の軸部2bが挿通される。すなわち、案内部材6は、ばね状構造体11の伸縮によって直線往復運動する可動部2の軸部2bを案内する部材である。   The guide member 6 is realized by, for example, a bearing, is provided on an inner wall surface portion of the shaft portion guide portion 3b of the housing 3, and the shaft portion 2b of the movable portion 2 is inserted therethrough. That is, the guide member 6 is a member that guides the shaft portion 2 b of the movable portion 2 that linearly reciprocates by the expansion and contraction of the spring-like structure 11.

以下、アクチュエータ素子1について詳細に説明する。
図2は、アクチュエータ素子1に備えられるばね状構造体11の構成の一部を概略的に示す斜視図である。ばね状構造体11は、線状部材23によって形成されるばね部21と、電圧を印加することによって伸縮する性質を有する薄膜部22とを含んでいる。
Hereinafter, the actuator element 1 will be described in detail.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing a part of the configuration of the spring-like structure 11 provided in the actuator element 1. The spring-like structure 11 includes a spring part 21 formed by the linear member 23 and a thin film part 22 having a property of expanding and contracting when a voltage is applied.

線状部材23は、軸線J1に沿って延びる長尺の部材であり、軸線J1に垂直な平面で切断した断面(以下、「横断面」という)が円形状であり、軸線J1に沿って同一または略同一の外径を有する。   The linear member 23 is a long member extending along the axis J1, and a cross section cut along a plane perpendicular to the axis J1 (hereinafter referred to as a “cross section”) has a circular shape, and is the same along the axis J1. Or it has the substantially same outer diameter.

ばね部21は、このような線状部材23を軸線J2まわりに螺旋状に巻回することによって形成されている。ばね部21は、詳細には、両端における座巻部を除き、線状部材23が等ピッチで、すなわち同一のピッチ角(螺旋状に巻回された線状部材23の螺旋軌道の軸線J2に対する角度)で巻回されて形成されている。   The spring portion 21 is formed by spirally winding such a linear member 23 around the axis J2. More specifically, the spring portion 21 has the same pitch angle (with respect to the axis J2 of the spiral trajectory of the linear member 23 spirally wound) except for the end winding portions at both ends. Angle).

ばね部21は、このように形成されることによって、軸線J2方向に伸縮可能である。詳細には、ばね部21は、軸線J2方向に沿って圧縮荷重が付与されると軸線J2方向に収縮する。このとき、線状部材23の任意の横断面には、収縮に伴ってねじりモーメントが発生する。そして、その収縮した状態から圧縮荷重が除去されると弾性力によって元の状態に回復する。また、軸線J2方向に沿って引張荷重が付与されると軸線J2方向に伸張する。このとき、線状部材23の任意の横断面には、伸張に伴ってねじりモーメントが発生する。そして、その伸張した状態から引張荷重が除去されると弾性力によって元の状態に回復する。   By forming the spring portion 21 in this way, the spring portion 21 can expand and contract in the direction of the axis J2. Specifically, the spring portion 21 contracts in the axis J2 direction when a compressive load is applied along the axis J2 direction. At this time, a torsional moment is generated along with the contraction in an arbitrary cross section of the linear member 23. When the compressive load is removed from the contracted state, the original state is restored by the elastic force. In addition, when a tensile load is applied along the direction of the axis J2, it extends in the direction of the axis J2. At this time, a torsional moment is generated along with expansion in an arbitrary cross section of the linear member 23. When the tensile load is removed from the stretched state, the original state is restored by the elastic force.

薄膜部22は、線状部材23の外周部に対して固定して設けられ、線状部材23の軸線J1に沿って螺旋状に延在している。薄膜部22は、詳細には、少なくともばね部21の座巻部を除く部分において、螺旋状に等ピッチ、すなわち同一のピッチ角(すなわち、螺旋状に延在する薄膜部22の螺旋軌道の軸線J1に対する角度)で延在している。以下では、該ピッチ角をリード角と称する場合がある。また、ばね状構造体11において薄膜部22の延在する方向を螺旋方向J3とする。   The thin film portion 22 is provided fixed to the outer peripheral portion of the linear member 23 and extends spirally along the axis J <b> 1 of the linear member 23. Specifically, the thin film portion 22 is at least a portion of the spring portion 21 excluding the end winding portion, and has the same helical pitch, that is, the same pitch angle (that is, the axis of the spiral trajectory of the thin film portion 22 extending in a spiral shape). (An angle with respect to J1). Hereinafter, the pitch angle may be referred to as a lead angle. Moreover, let the direction where the thin film part 22 extends in the spring-shaped structure 11 be the spiral direction J3.

このような構成を有するばね状構造体11は、一方の座巻部が底板4の一方の表面部に対して固定して設けられ、他方の座巻部が可動部2の円板部2aの一表面部、すなわち円板部2aにおいて軸部2bが設けられる側とは反対側の表面部に対して固定して設けられる。ばね状構造体11は、ばね部21の軸線方向J2と筐体3の軸線方向Pとを一致させて、内部空間Sに配置される。   In the spring-like structure 11 having such a configuration, one end winding portion is fixed to one surface portion of the bottom plate 4, and the other end winding portion is the disc portion 2 a of the movable portion 2. One surface part, that is, the disk part 2a is fixedly provided to the surface part opposite to the side where the shaft part 2b is provided. The spring-like structure 11 is arranged in the internal space S so that the axial direction J2 of the spring portion 21 and the axial direction P of the housing 3 coincide with each other.

作用電極13は、導電性を有する金属によって軸線に沿って延びるように形成され、軸線方向一方側の端部である連結端部と、軸線方向他方側の端部である電源側端部と、連結端部と電源側端部との間に設けられる挿通部とを有する。   The working electrode 13 is formed by an electrically conductive metal so as to extend along the axis, and includes a connecting end that is an end on one side in the axial direction, a power-side end that is an end on the other side in the axial direction, And an insertion portion provided between the connection end and the power supply side end.

作用電極13の前記連結端部は、線状部材23の一方の端部、すなわちばね部21の一方の座巻部における端部に形成された貫通孔に挿通されて、ばね部21と連結されている。作用電極13の前記電源側端部にはリード線が接続され、該リード線を介して、作用電極13と電源15とは電気的に接続されている。   The connecting end portion of the working electrode 13 is inserted into a through hole formed in one end portion of the linear member 23, that is, one end portion of the spring portion 21, and is connected to the spring portion 21. ing. A lead wire is connected to the end of the working electrode 13 on the power source side, and the working electrode 13 and the power source 15 are electrically connected via the lead wire.

作用電極13は、前述するように、底板4に形成される貫通孔を規定する壁面部に取り付けられる封止材5cに挿通された状態で、底板4に対して固定して設けられる。すなわち、作用電極13は、アクチュエータ装置100において、連結端部が内部空間Sに位置しており、挿通部において封止材5cに挿通され、電源側端部が外部に露出している。   As described above, the working electrode 13 is fixed to the bottom plate 4 while being inserted into the sealing material 5c attached to the wall surface portion that defines the through-hole formed in the bottom plate 4. That is, the working electrode 13 has a connecting end located in the internal space S in the actuator device 100, and is inserted through the sealing material 5c at the insertion portion, and the power supply side end is exposed to the outside.

対向電極14は、前述するように、導電性を有する金属によって円筒形状に形成され、ばね収容部3aにおける内壁面部に対して蒸着など公知の手段によって設けられる。また、筐体3のばね収容部3aには、外壁面から内壁面に向かって貫通する微小な貫通孔が形成されており、対向電極14は、その微小な貫通孔を介して外部に露出する露出部分を有する。その露出部分にはリード線が接続され、該リード線を介して、対向電極14と電源15とは電気的に接続されている。   As described above, the counter electrode 14 is formed in a cylindrical shape with a conductive metal, and is provided on the inner wall surface portion of the spring accommodating portion 3a by a known means such as vapor deposition. The spring accommodating portion 3a of the housing 3 has a minute through hole penetrating from the outer wall surface toward the inner wall surface, and the counter electrode 14 is exposed to the outside through the minute through hole. It has an exposed part. A lead wire is connected to the exposed portion, and the counter electrode 14 and the power source 15 are electrically connected via the lead wire.

電源15は、前述するように、リード線を介して、作用電極13および対向電極14と電気的に接続され、作用電極13および対向電極14に対して電圧を印加することができる。   As described above, the power supply 15 is electrically connected to the working electrode 13 and the counter electrode 14 via the lead wires, and can apply a voltage to the working electrode 13 and the counter electrode 14.

本実施形態においては、線状部材23は、導電性を有する導体によって形成されており、たとえばチタンおよびステンレスなど腐食に対して強い金属によって形成されるのが好ましい。また、薄膜部22は、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリンおよびポリチオフェンなど、電気化学的な酸化還元によって伸縮または変形、すなわち電解伸縮する性質を有する公知の導電性高分子によって形成される。中でも、ポリピロールは、導電性高分子として安定であり、好適に用いることができる。   In the present embodiment, the linear member 23 is formed of a conductive conductor, and is preferably formed of a metal resistant to corrosion, such as titanium and stainless steel. The thin film portion 22 is formed of a known conductive polymer having a property of stretching or deforming by electrochemical oxidation and reduction, that is, electrolytic stretching, such as polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, and polythiophene. Among these, polypyrrole is stable as a conductive polymer and can be suitably used.

この薄膜部22は、長尺のフィルム状に成形された導電性高分子フィルムを線状部材23に対して公知の接着手段によって(たとえば、接着剤を用いて)接着などして固定しても良い。また薄膜部22は、電解重合法によって、線状部材23の外周面に螺旋方向J3に沿って螺旋状に延在するように形成しても良い。   The thin film portion 22 may be fixed by adhering a conductive polymer film formed into a long film shape to the linear member 23 by a known bonding means (for example, using an adhesive). good. Moreover, you may form the thin film part 22 so that it may extend spirally along the spiral direction J3 on the outer peripheral surface of the linear member 23 by the electrolytic polymerization method.

本実施形態では、前述するように、線状部材23が導電性を有する金属によって形成されているので、線状部材23において薄膜部22が設けられていない外周面部が、絶縁層で覆われているのが好ましい。これは、アクチュエータ装置100において、コイルばね部材11が、電解質溶液12が充填された内部空間Sに設けられるからである。すなわち、線状部材23の外周面部が電解質溶液12に露出している場合、作用電極13および対向電極14に対して電圧を印加したとき、電解質溶液12から薄膜部22へのイオンの移動が、電解質溶液12から前記露出している外周面部へのイオンの移動よりも増大してしまい、金属に比べて導電率の高い薄膜部22へのイオンのドーピングが阻害されるからである。これにより薄膜部22の電界伸縮が阻害されてしまうので、これを防止するために、前記外周面部に対して、薄膜部22が設けられていない部分が電解質溶液12に露出しないように、絶縁層が設けられる。   In the present embodiment, as described above, since the linear member 23 is formed of a conductive metal, the outer peripheral surface portion where the thin film portion 22 is not provided in the linear member 23 is covered with an insulating layer. It is preferable. This is because in the actuator device 100, the coil spring member 11 is provided in the internal space S filled with the electrolyte solution 12. That is, when the outer peripheral surface portion of the linear member 23 is exposed to the electrolyte solution 12, when a voltage is applied to the working electrode 13 and the counter electrode 14, ions move from the electrolyte solution 12 to the thin film portion 22. This is because the ion migration from the electrolyte solution 12 to the exposed outer peripheral surface portion is increased, and the doping of ions into the thin film portion 22 having higher conductivity than that of the metal is hindered. As a result, the electric field expansion and contraction of the thin film portion 22 is hindered, and in order to prevent this, the insulating layer is formed so that the portion where the thin film portion 22 is not provided is not exposed to the electrolyte solution 12 with respect to the outer peripheral surface portion. Is provided.

また本実施形態では、前述するように、長尺のフィルム状に形成された導電性高分子フィルムを線状部材23の外周面に螺旋方向J3に沿って固定しているが、他の実施形態では、導電性高分子を線状部材23の外周面部を覆うように全面に電着または接着して積層し、線状部材23の外周面部を覆っている導電性高分子層の上から、さらに、該導電性高分子層が螺旋方向J3に沿って螺旋状に電解質溶液12に対して露出するように、絶縁層を設けても良い。これは、線状部材23の外周面部全面を覆っている導電性高分子層に対して、螺旋方向J3に平行に絶縁層を延在させることで実現することができる。この場合には、線状部材23の外周面部全面を覆っている導電性高分子層のうち、電解質溶液12に露出するように螺旋方向J3に延在している部分が、薄膜部22に対応する。   In the present embodiment, as described above, the conductive polymer film formed in a long film shape is fixed to the outer peripheral surface of the linear member 23 along the spiral direction J3. Then, the conductive polymer is deposited by electrodeposition or adhesion on the entire surface so as to cover the outer peripheral surface portion of the linear member 23, and from above the conductive polymer layer covering the outer peripheral surface portion of the linear member 23, An insulating layer may be provided so that the conductive polymer layer is exposed to the electrolyte solution 12 in a spiral shape along the spiral direction J3. This can be realized by extending an insulating layer in parallel to the spiral direction J3 with respect to the conductive polymer layer covering the entire outer peripheral surface portion of the linear member 23. In this case, the portion of the conductive polymer layer covering the entire outer peripheral surface portion of the linear member 23 that extends in the spiral direction J3 so as to be exposed to the electrolyte solution 12 corresponds to the thin film portion 22. To do.

導電性高分子層が伸縮動作をする原理は、主として導電性高分子層内部への嵩高いイオンのドーピングによるものである。またドーピングされるイオンは、電解質溶液12から導電性高分子層を通って作用電極13へ引寄せられる。そのため、導電性高分子層と電解質溶液12との間に絶縁層が介在していると、絶縁層が設けられている部分の導電性高分子層へのイオンの拡散が阻害され、電解質溶液12に対して露出している部分の導電性高分子層に対してイオンのドーピングが行われ、電界伸縮が起こり線状部材23をねじる力を発生させることができる。   The principle that the conductive polymer layer expands and contracts is mainly due to the bulky ion doping inside the conductive polymer layer. Further, ions to be doped are attracted from the electrolyte solution 12 through the conductive polymer layer to the working electrode 13. Therefore, if an insulating layer is interposed between the conductive polymer layer and the electrolyte solution 12, diffusion of ions to the conductive polymer layer in the portion where the insulating layer is provided is inhibited, and the electrolyte solution 12 The conductive polymer layer in the exposed portion is doped with ions, and electric field expansion and contraction occurs, and a force for twisting the linear member 23 can be generated.

また電解質溶液12は、薄膜部22が電圧を印加されたときに該薄膜部22を伸縮させるための電解質、および該電解質を溶解するための溶媒を含む。前記電解質としては、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)およびカリウム(K)などを用いることができる。また前記溶媒としては、水および有機溶剤などを用いることができる。   The electrolyte solution 12 includes an electrolyte for expanding and contracting the thin film portion 22 when a voltage is applied to the thin film portion 22 and a solvent for dissolving the electrolyte. As the electrolyte, sodium (Na), lithium (Li), potassium (K), or the like can be used. Moreover, water, an organic solvent, etc. can be used as said solvent.

以下、アクチュエータ装置100の動作について説明する。
アクチュエータ装置100は、図1に示すように、内部空間Sにばね状構造体11および可動部2が収容され、さらに、電解質溶液12が充填される。このとき、可動部2は、その軸部2bにおける円板部2aが設けられる側の一端部が電解質溶液12に浸漬し、該一端部とは反対側の他端部が外部に露出するように設けられている。可動部2が直線往復運動する際には、軸部2bにおける前記一端部と前記他端部との間の中間部分が、封止材5aおよび案内部材6に対して摺動している。可動部2の円板部2aは、その外径が内部空間Sの内径よりも小さくなるように形成されており、すなわち、可動部2が移動する際に、充填されている電解質溶液12は、円板部2aと対向電極14との間を流れることができる。
Hereinafter, the operation of the actuator device 100 will be described.
As shown in FIG. 1, in the actuator device 100, the spring-like structure 11 and the movable part 2 are accommodated in the internal space S, and further, the electrolyte solution 12 is filled. At this time, the movable portion 2 is so arranged that one end portion of the shaft portion 2b on the side where the disc portion 2a is provided is immersed in the electrolyte solution 12 and the other end portion opposite to the one end portion is exposed to the outside. Is provided. When the movable portion 2 reciprocates linearly, an intermediate portion between the one end portion and the other end portion of the shaft portion 2 b slides with respect to the sealing material 5 a and the guide member 6. The disk part 2a of the movable part 2 is formed such that its outer diameter is smaller than the inner diameter of the internal space S. That is, when the movable part 2 moves, the electrolyte solution 12 filled is It can flow between the disk portion 2a and the counter electrode 14.

電圧が印加されていない初期状態から、電源15によって作用電極13および対向電極14に対して電圧が印加される。ばね状構造体11において、ばね部21は、導電性を有する導体によって形成されているので、薄膜部22に対して均一に電圧を印加させることができる。薄膜部22は、電圧を印加されると、電解質溶液12中のドーパントイオンがドープされて伸張する。このとき、薄膜部22の螺旋方向への伸張によって、ばね部21には任意の横断面においてねじりモーメントが発生する。このねじりモーメントの発生によって、ばね状構造体11は、伸張方向すなわち軸線J2方向に沿って伸張される。そして、可動部2は、このばね状構造体11の伸張によって、ばね状構造体11に押圧されて、その円板部2aが段差面に近接する方向に移動される。   A voltage is applied to the working electrode 13 and the counter electrode 14 by the power supply 15 from an initial state where no voltage is applied. In the spring-like structure 11, since the spring portion 21 is formed of a conductive conductor, a voltage can be uniformly applied to the thin film portion 22. When a voltage is applied to the thin film portion 22, the dopant ions in the electrolyte solution 12 are doped and stretched. At this time, a torsional moment is generated in the spring portion 21 in an arbitrary cross section by the extension of the thin film portion 22 in the spiral direction. Due to the generation of the torsional moment, the spring-like structure 11 is extended along the extension direction, that is, the direction of the axis J2. Then, the movable portion 2 is pressed by the spring-like structure 11 by the extension of the spring-like structure 11, and the disk portion 2a is moved in a direction close to the step surface.

また、ばね状構造体11が伸張している状態で、すなわち薄膜部22にドーパントイオンがドープされている状態で、電源15の極性を反転させて作用電極13および対向電極14に電圧を印加すると、薄膜部22は、薄膜部22にドープされているドーパントイオンが脱ドープされ、伸張状態から収縮し元の状態に回復する。これにより、ねじりモーメントは消失し、ばね部21は、自己の弾性回復力によって元の状態に復帰する。これに伴って、ばね状構造体11の他方の座巻部に固定されている可動部2は、元の位置まで移動する。   In addition, when the spring-like structure 11 is extended, that is, in a state where the thin film portion 22 is doped with dopant ions, the polarity of the power source 15 is reversed and voltage is applied to the working electrode 13 and the counter electrode 14. The thin film portion 22 is dedoped with the dopant ions doped in the thin film portion 22, and contracts from the stretched state to recover to the original state. Thereby, the torsional moment disappears, and the spring portion 21 returns to the original state by its own elastic recovery force. Accordingly, the movable part 2 fixed to the other end winding part of the spring-like structure 11 moves to the original position.

このように、ばね状構造体11によれば、螺旋状に延びる薄膜部22の軸線J3方向の伸びを、ばね部21の軸線J1方向への伸びに変換し、さらにばね部21の軸線J1方向への伸びをばね状構造体11の軸線J2方向への伸びに変換することができる。そして、このような伸びの変換によって、薄膜部22が伸張する伸張量よりも大きな伸張量で、ばね状構造体11を軸線J2方向へ伸張させることができる。すなわち、大きな発生力を生成することができる。   Thus, according to the spring-like structure 11, the extension in the axis J3 direction of the thin-film portion 22 extending spirally is converted into the extension in the axis J1 direction of the spring portion 21, and further the axis J1 direction of the spring portion 21 Can be converted into the extension of the spring-like structure 11 in the direction of the axis J2. And by such conversion of elongation, the spring-like structure 11 can be expanded in the direction of the axis J2 with an expansion amount larger than the expansion amount that the thin film portion 22 extends. That is, a large generated force can be generated.

以下、薄膜部22が伸張する伸張量よりも大きな伸張量で、ばね状構造体11を伸張させることができるとする理由について説明する。   Hereinafter, the reason why the spring-like structure 11 can be extended by an extension amount larger than the extension amount by which the thin film portion 22 extends will be described.

螺旋状に巻回されたばね部21の単位長さ、すなわち薄膜部22の1巻(1ピッチ)分に相当する長さについて考える。ここで、ばね部21の単位長さをLとし、薄膜部22の1巻分の螺旋方向長さをKとし、ばね部21の外径をdとし、ばね部21のコイル径をDとする。   Consider the unit length of the spring portion 21 wound spirally, that is, the length corresponding to one turn (one pitch) of the thin film portion 22. Here, the unit length of the spring portion 21 is L, the helical length of one turn of the thin film portion 22 is K, the outer diameter of the spring portion 21 is d, and the coil diameter of the spring portion 21 is D. .

薄膜部22の伸張率がQ[%]であると仮定する。このとき、薄膜部22の伸張によって、ばね部21はねじられる。ここで、単位長さのばね部21の一端部が固定されているものとすると、ばね部21の他端部側における薄膜部22の端部は、ばね部21の周方向に沿ってΔYだけ変位する。このとき、単位長さのばね部21のねじれ角をΔθとすると、Δθ=ΔY/(π×d)(ただし、ΔY=―π×d+√{(0.01×Q×K)2−K2})と表すことができる。したがって、ばね状構造体11の伸縮方向に関してばね部21の単位長さL当りの伸張量をΔδとすると、Δδ=D×tan(Δθ)と表すことができる。 It is assumed that the expansion ratio of the thin film portion 22 is Q [%]. At this time, the spring portion 21 is twisted by the extension of the thin film portion 22. Here, assuming that one end of the spring portion 21 having a unit length is fixed, the end portion of the thin film portion 22 on the other end side of the spring portion 21 is only ΔY along the circumferential direction of the spring portion 21. Displace. At this time, assuming that the twist angle of the spring portion 21 having a unit length is Δθ, Δθ = ΔY / (π × d) (where ΔY = −π × d + √ {(0.01 × Q × K) 2 −K 2 }). Therefore, if the extension amount per unit length L of the spring portion 21 in the expansion / contraction direction of the spring-like structure 11 is Δδ, it can be expressed as Δδ = D × tan (Δθ).

具体的な数値を当てはめて計算する。D=10[mm]、d=2[mm]、L=1[mm]、Q=2[%]とする。このとき、単位長さのばね部21における薄膜部22の伸張量は、0.127mmと計算される。また、ばね状構造体11の伸縮方向に関してばね部21の単位長さ当りの伸張量Δδは、1.28mmと計算される。すなわち、薄膜部22が伸張する伸張量よりも大きな伸張量で、ばね状構造体11が伸張されている。なお、ばね状構造体11の伸張量は、前記コイル径Dおよびばね部21の有効巻数nの関数として増大させることができる。   Calculate by applying specific numerical values. It is assumed that D = 10 [mm], d = 2 [mm], L = 1 [mm], and Q = 2 [%]. At this time, the extension amount of the thin film portion 22 in the spring portion 21 having a unit length is calculated to be 0.127 mm. Further, the extension amount Δδ per unit length of the spring portion 21 in the expansion / contraction direction of the spring-like structure 11 is calculated as 1.28 mm. In other words, the spring-like structure 11 is stretched by a stretch amount larger than the stretch amount by which the thin film portion 22 stretches. The extension amount of the spring-like structure 11 can be increased as a function of the coil diameter D and the effective number of turns n of the spring portion 21.

表1は、d=2[mm]、Q=2[%]としたときのリード角とねじれ角との関係を示している。なお、表1におけるリード角は、上から順に、単位長さL=1[mm]、2[mm]、3[mm]、4[mm]、5[mm]に対応している。   Table 1 shows the relationship between the lead angle and the twist angle when d = 2 [mm] and Q = 2 [%]. In addition, the lead angle in Table 1 corresponds to unit length L = 1 [mm], 2 [mm], 3 [mm], 4 [mm], and 5 [mm] in order from the top.

Figure 2010239784
Figure 2010239784

表1に示されるように、ねじれ角の増分はリード角の増分と同一ではないため、リード角が小さいほどばね部21全体としての伸縮量δは大きくなる。   As shown in Table 1, since the increment of the twist angle is not the same as the increment of the lead angle, the smaller the lead angle, the larger the expansion / contraction amount δ of the spring portion 21 as a whole.

図3は、第2の実施形態に係るアクチュエータ素子1aを構成するばね状構造体11aを説明するための図であり、図3(a)は、ばね状構造体11aの一部を拡大して示す斜視図であり、図3(b)は、図3(a)における切断面線III−IIIから見た断面図である。   FIG. 3 is a view for explaining a spring-like structure 11a constituting the actuator element 1a according to the second embodiment. FIG. 3A is an enlarged view of a part of the spring-like structure 11a. FIG. 3B is a cross-sectional view taken along section line III-III in FIG.

上記の第1の実施形態に係るアクチュエータ素子1では、ばね状構造体11の構成として、線状部材23が導体の場合について記載したが、第2の実施形態に係るアクチュエータ素子1aでは、ばね状構造体11aにおける線状部材23aが、電気絶縁性を有する絶縁体によって形成されている。なお、第2の実施形態に係るアクチュエータ素子1aは、ばね状構造体11aを除く残余の構成については、第1の実施形態に係るアクチュエータ素子1と同様に構成される。第2の実施形態において、前述の実施形態における構成と同様の構成については同一の参照符を付し、同様の説明は省略する。   In the actuator element 1 according to the first embodiment, the case where the linear member 23 is a conductor has been described as the configuration of the spring-like structure 11, but in the actuator element 1a according to the second embodiment, the spring-like structure 11 is spring-like. The linear member 23a in the structure 11a is formed of an insulator having electrical insulation. The actuator element 1a according to the second embodiment is configured in the same manner as the actuator element 1 according to the first embodiment with respect to the remaining configuration except for the spring-like structure 11a. In the second embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as those in the above-described embodiments, and the same descriptions are omitted.

アクチュエータ素子1aでは、ばね部21aが、絶縁体によって形成される線状部材23aと、線状部材23aの軸線J1に沿って螺旋状に延在する電極層24aとによって構成される。線状部材23aは、たとえばポリアセタールおよびテフロン(登録商標)などによって形成されるのが好ましい。電極層24aは、導電性を有し、線状部材23aに対して積層されて固定される電極層として設けられる。電極層24aは、金属を鍍金接着するのが好ましい。   In the actuator element 1a, the spring portion 21a is constituted by a linear member 23a formed of an insulator and an electrode layer 24a extending spirally along the axis J1 of the linear member 23a. The linear member 23a is preferably formed of, for example, polyacetal or Teflon (registered trademark). The electrode layer 24a has conductivity and is provided as an electrode layer that is laminated and fixed to the linear member 23a. The electrode layer 24a is preferably formed by plating and bonding metal.

また薄膜部22aは、電極層24aに対して積層されて固定される。この薄膜部22aは、第1の実施形態と同様、長尺のフィルム状に成形された導電性高分子フィルムを電極層24aに対して公知の接着手段によって(たとえば、接着剤を用いて)接着などして固定しても良い。また薄膜部22aは、電解重合法によって、電極層24aに対して積層するように形成しても良い。電極層24aは、ばね部21aの一方の座巻部における端部に連結される作用電極13の連結端部と電気的に接続される。これにより、薄膜部22aに対して均一に電圧を印加させることができる。本実施形態では、薄膜部22aが電極層24aに対して積層されて固定されているが、他の実施形態では、電極層24aを設けずに、薄膜部22aを直接、線状部材23aに接着または印刷することによって、螺旋方向J3に沿って延在させても良い。   The thin film portion 22a is laminated and fixed to the electrode layer 24a. As in the first embodiment, the thin film portion 22a is formed by bonding a conductive polymer film formed in a long film shape to the electrode layer 24a by a known bonding means (for example, using an adhesive). It may be fixed by, for example. The thin film portion 22a may be formed so as to be laminated on the electrode layer 24a by electrolytic polymerization. The electrode layer 24a is electrically connected to a connecting end portion of the working electrode 13 connected to an end portion of one end winding portion of the spring portion 21a. Thereby, a voltage can be uniformly applied with respect to the thin film part 22a. In the present embodiment, the thin film portion 22a is laminated and fixed to the electrode layer 24a, but in other embodiments, the thin film portion 22a is directly bonded to the linear member 23a without providing the electrode layer 24a. Or you may make it extend along the spiral direction J3 by printing.

ばね状構造体11aがこのような構成を有する場合であっても、螺旋状に延びる薄膜部22aの伸張を、ばね部21aの軸線J2方向へのばね状構造体11aの伸張に変換することができる。そして、このような伸張の変換によって、薄膜部22aが伸張する伸張量よりも大きな伸張量で、ばね状構造体11aを伸張させることができる。すなわち、大きな発生力を生成することができる。   Even when the spring-like structure 11a has such a configuration, the extension of the spirally extending thin film portion 22a can be converted into the extension of the spring-like structure 11a in the direction of the axis J2 of the spring portion 21a. it can. Then, by such extension conversion, the spring-like structure 11a can be extended with an extension amount larger than the extension amount of the thin film portion 22a. That is, a large generated force can be generated.

図4は、第3の実施形態に係るアクチュエータ素子1bを説明するための図であり、図4(a)は、ばね状構造体11aの一部を拡大して示す斜視図であり、図4(b)は、図4(a)における切断面線IV−IVから見た断面図である。   FIG. 4 is a diagram for explaining the actuator element 1b according to the third embodiment, and FIG. 4A is a perspective view showing a part of the spring-like structure 11a in an enlarged manner. (B) is sectional drawing seen from the cut surface line IV-IV in Fig.4 (a).

上記の第2の実施形態に係るアクチュエータ素子1aでは、第1の実施形態と同様に、内部空間Sにおいて電解質溶液12が充填されていたが、第3の実施形態に係るアクチュエータ素子1bでは、電解質溶液12に代えて電解質エラストマ12bが設けられる。電解質エラストマ12bとしては、吸水性ポリマーゲルに前述の電解質を含ませたゲル、またはイオン性液体を配合したエラストマ(ゴム)を用いることができる。イオン性液体としては、一般的なものとして、たとえばBMITFSI(1-butyl-3-methylimidazolium
bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)などであってもよい。
In the actuator element 1a according to the second embodiment, as in the first embodiment, the electrolyte solution 12 is filled in the internal space S. However, in the actuator element 1b according to the third embodiment, the electrolyte is Instead of the solution 12, an electrolyte elastomer 12b is provided. As the electrolyte elastomer 12b, a gel in which the above-described electrolyte is contained in a water-absorbing polymer gel or an elastomer (rubber) in which an ionic liquid is blended can be used. As the ionic liquid, as a general one, for example, BMITFSI (1-butyl-3-methylimidazolium)
bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) and the like.

第3の実施形態に係るアクチュエータ素子1bは、第2の実施形態に係るアクチュエータ素子1aにおけるばね状構造体11aを有し、電解質エラストマ12bがばね部21aの軸線J1に沿って、ばね状構造体11aの外周を覆うように設けられる。電解質溶液12に替えて電解質エラストマ12bを設けたことによって、アクチュエータ素子1bにおける対向電極14bは、電解質エラストマ12bの外周部に設けられる。なお、第3の実施形態に係るアクチュエータ素子1bは、電解質エラストマ12bおよび対向電極14bを除く残余の構成については、第2の実施形態に係るアクチュエータ素子1aと同様に構成される。第3の実施形態において、前述の実施形態における構成と同様の構成については同一の参照符を付し、同様の説明は省略する。   The actuator element 1b according to the third embodiment has a spring-like structure 11a in the actuator element 1a according to the second embodiment, and the electrolyte elastomer 12b is formed along the axis J1 of the spring portion 21a. It is provided so as to cover the outer periphery of 11a. By providing the electrolyte elastomer 12b instead of the electrolyte solution 12, the counter electrode 14b in the actuator element 1b is provided on the outer periphery of the electrolyte elastomer 12b. Note that the actuator element 1b according to the third embodiment is configured in the same manner as the actuator element 1a according to the second embodiment, except for the electrolyte elastomer 12b and the counter electrode 14b. In the third embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as those in the above-described embodiments, and the same descriptions are omitted.

電圧が印加されていない初期状態から、電源15によって作用電極13および電解質エラストマ12bの外周部に設けられる対向電極14bに対して電圧が印加される。ばね状構造体11aにおいて、電極層24aは、導電性を有する導体によって形成されているので、薄膜部22aに対して均一に電圧を印加させることができる。薄膜部22aは、電圧を印加されると、電解質エラストマ12b中のドーパントイオンがドープされて伸張する。このとき、薄膜部22aの螺旋方向への伸張によって、ばね部21aには任意の横断面においてねじりモーメントが発生する。このねじりモーメントの発生によって、ばね状構造体11aは、伸張方向すなわち軸線J2方向に沿って伸張される。そして、可動部2は、このばね状構造体11aの伸張によって、ばね状構造体11aに押圧されて、その円板部2aが段差面に近接する方向に移動される。   From an initial state in which no voltage is applied, a voltage is applied by the power source 15 to the working electrode 13 and the counter electrode 14b provided on the outer periphery of the electrolyte elastomer 12b. In the spring-like structure 11a, since the electrode layer 24a is formed of a conductive conductor, a voltage can be uniformly applied to the thin film portion 22a. When a voltage is applied to the thin film portion 22a, the dopant ions in the electrolyte elastomer 12b are doped and stretched. At this time, a torsional moment is generated in an arbitrary cross section in the spring portion 21a due to the extension of the thin film portion 22a in the spiral direction. Due to the generation of the torsional moment, the spring-like structure 11a is extended along the extension direction, that is, the direction of the axis J2. The movable portion 2 is pressed by the spring-like structure 11a by the extension of the spring-like structure 11a, and the disk portion 2a is moved in a direction close to the step surface.

また、ばね状構造体11aが伸張している状態で、すなわち薄膜部22aにドーパントイオンがドープされている状態で、電源15の極性を反転させて作用電極13および対向電極14bに電圧を印加すると、薄膜部22aは、薄膜部22aにドープされているドーパントイオンが脱ドープされ、伸張状態から収縮し元の状態に回復する。これにより、ねじりモーメントは消失し、ばね部21aは、ばね部21aの弾性回復力によって元の状態に回復する。これに伴って、ばね状構造体11aの他方の座巻部に固定されている可動部2は、元の位置まで移動する。   When the spring-like structure 11a is extended, that is, in a state where the thin film portion 22a is doped with dopant ions, the polarity of the power source 15 is reversed and voltage is applied to the working electrode 13 and the counter electrode 14b. The thin film portion 22a is dedoped with dopant ions doped in the thin film portion 22a, and contracts from the stretched state to recover to the original state. Thereby, the torsional moment disappears, and the spring portion 21a is restored to the original state by the elastic recovery force of the spring portion 21a. Accordingly, the movable part 2 fixed to the other end winding part of the spring-like structure 11a moves to the original position.

アクチュエータ素子1bがこのような構成を有する場合であっても、螺旋状に延びる薄膜部22aの伸張を、軸線J2方向へのばね状構造体11aの伸張に変換することができる。そして、このような伸張の変換によって、薄膜部22aが伸張する伸張量よりも大きな伸張量で、ばね状構造体11aを伸張させることができる。すなわち、大きな発生力を生成することができる。   Even when the actuator element 1b has such a configuration, the extension of the thin film portion 22a extending in a spiral shape can be converted into the extension of the spring-like structure 11a in the direction of the axis J2. Then, by such extension conversion, the spring-like structure 11a can be extended with an extension amount larger than the extension amount of the thin film portion 22a. That is, a large generated force can be generated.

図5は、第4の実施形態に係るアクチュエータ装置100cの構成を概略的に示す斜視図である。第4の実施形態に係るアクチュエータ装置100cは、第1の実施形態に係るアクチュエータ装置100に、さらに圧縮コイルばね6cが設けられて構成されている。またアクチュエータ装置100cは、圧縮コイルばね6cが設けられることに伴って、ばね状構造体11が、底板4の一方の表面部および可動部2の円板部2aに対して固定されていない。   FIG. 5 is a perspective view schematically showing a configuration of an actuator device 100c according to the fourth embodiment. The actuator device 100c according to the fourth embodiment is configured by further providing a compression coil spring 6c to the actuator device 100 according to the first embodiment. In the actuator device 100c, the spring-like structure 11 is not fixed to the one surface portion of the bottom plate 4 and the disc portion 2a of the movable portion 2 in accordance with the provision of the compression coil spring 6c.

なお、第4の実施形態に係るアクチュエータ装置100cは、圧縮コイルばね6cを除く残余の構成については、第1の実施形態に係るアクチュエータ装置100と同様に構成される。第4の実施形態において、前述の実施形態における構成と同様の構成については同一の参照符を付し、同様の説明は省略する。   The actuator device 100c according to the fourth embodiment is configured in the same manner as the actuator device 100 according to the first embodiment with respect to the remaining configuration except for the compression coil spring 6c. In the fourth embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as those in the previous embodiments, and the same descriptions are omitted.

アクチュエータ装置100cは、可動部2が、軸部2bに圧縮コイルばね6cを挿通させた状態で、筐体3に対して装着される。すなわち、圧縮コイルばね6cは、筐体3内に形成される段差面部と、可動部2の円板部2aにおいて軸部2bが設けられる側の表面部との間に介在される。アクチュエータ装置100cでは、このような圧縮コイルばね6cが設けられているので、電圧の印加によりコイルばね部材11が伸張されると、コイルばね部材11に対して、圧縮コイルばね6cが圧縮されることにより発生する弾性回復力を作用させることができる。すなわち、この圧縮コイルばね6cによって、推力の調整が可能となる。   The actuator device 100c is attached to the housing 3 in a state where the movable portion 2 has the compression coil spring 6c inserted through the shaft portion 2b. That is, the compression coil spring 6 c is interposed between the stepped surface portion formed in the housing 3 and the surface portion on the side where the shaft portion 2 b is provided in the disc portion 2 a of the movable portion 2. Since the actuator device 100c is provided with such a compression coil spring 6c, when the coil spring member 11 is expanded by application of voltage, the compression coil spring 6c is compressed with respect to the coil spring member 11. The elastic recovery force generated by the above can be applied. That is, the thrust can be adjusted by the compression coil spring 6c.

なお、第4の実施形態はこのような構成に限らず、アクチュエータ素子1を、第2の実施形態に係るアクチュエータ素子1a、および第3の実施形態に係るアクチュエータ素子1bに適宜変更しても良い。   The fourth embodiment is not limited to such a configuration, and the actuator element 1 may be appropriately changed to the actuator element 1a according to the second embodiment and the actuator element 1b according to the third embodiment. .

上記の実施形態では、電圧を印加することによって伸縮する薄膜部22として、導電性高分子を用いる場合のみ説明しているが、薄膜部22に用いられる部材は、導電性高分子によって形成された部材に限らず、電圧を印加することによって伸縮する性質を有する他の部材、たとえば、チタン酸ジルコン酸塩などの圧電体、およびカーボンナノチューブによっても実現することができる。   In the above embodiment, only the case where a conductive polymer is used as the thin film portion 22 that expands and contracts when a voltage is applied is described. However, the member used for the thin film portion 22 is formed of a conductive polymer. Not only the member but also other members having a property of expanding and contracting by applying a voltage, for example, a piezoelectric body such as zirconate titanate, and a carbon nanotube can be realized.

以上に示した実施形態では、アクチュエータ素子1を用いてアクチュエータ装置100をアクチュエータとして機能させる場合について説明を行っているが、アクチュエータ素子1における電源15に代えて、たとえば電圧計を作用電極13と対向電極14との間に介在させて、センサ素子とすることもできる。   In the embodiment described above, the case where the actuator device 100 is caused to function as an actuator using the actuator element 1 is described. However, for example, a voltmeter is opposed to the working electrode 13 instead of the power source 15 in the actuator element 1. It can also be used as a sensor element by being interposed between the electrodes 14.

たとえば図1Aにおいて、電源15に代えて電圧計を設けた場合、可動部2が軸線方向Pに沿って変位することに伴って、ばね状構造体11は、該軸線方向P、すなわち軸線方向J2に沿って伸縮し、さらに、ばね状構造体11が伸縮することに伴って、薄膜部22が伸縮する。薄膜部22の伸縮は、電解質溶液12からのイオンのドープ・脱ドープによって生じ、このイオンのドープ・脱ドープにより作用電極13と対向電極14との間に電位差が生じる。このように逆の原理を利用して、作用電極13と対向電極14との間の電位差を電圧計で測定することによって、センサとして機能させることもできる。   For example, in FIG. 1A, when a voltmeter is provided in place of the power source 15, the spring-like structure 11 moves along the axial direction P, that is, the axial direction J2, as the movable part 2 is displaced along the axial direction P. The thin film portion 22 expands and contracts as the spring-like structure 11 expands and contracts. Expansion and contraction of the thin film portion 22 is caused by doping / dedoping of ions from the electrolyte solution 12, and a potential difference is generated between the working electrode 13 and the counter electrode 14 by doping / dedoping of the ions. Thus, by utilizing the reverse principle, the potential difference between the working electrode 13 and the counter electrode 14 can be measured with a voltmeter to function as a sensor.

1,1a,1b アクチュエータ素子
2 可動部
3 筐体
4 底板
5a,5b,5c 封止材
6c 圧縮コイルばね
11,11a ばね状構造体
12 電解質溶液
12b 電解質エラストマ
13 作用電極
14,14b 対向電極
15 電源
21,21a ばね部
22,22a 薄膜部
23,23a 線状部材
24a 電極層
S 内部空間
100,100c アクチュエータ装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b Actuator element 2 Movable part 3 Housing | casing 4 Bottom plate 5a, 5b, 5c Sealing material 6c Compression coil spring 11, 11a Spring-like structure 12 Electrolyte solution 12b Electrolyte elastomer 13 Working electrode 14, 14b Counter electrode 15 Power supply 21, 21a Spring portion 22, 22a Thin film portion 23, 23a Linear member 24a Electrode layer S Internal space 100, 100c Actuator device

Claims (3)

線状部材を螺旋状に巻回して形成され、伸縮可能なコイル状のばね部と、
電圧が印加されると伸縮する性質を有する薄膜部とを有するばね状構造体を備えるアクチュエータ素子であって、
前記薄膜部が、前記ばね部の外周部に対して固定されて設けられ、該ばね部の軸線に沿って螺旋状に延在していることを特徴とするアクチュエータ素子。
A coil-shaped spring portion formed by winding a linear member in a spiral shape, and extending and contracting;
An actuator element comprising a spring-like structure having a thin film portion having a property of expanding and contracting when a voltage is applied,
The actuator element, wherein the thin film portion is provided fixed to an outer peripheral portion of the spring portion, and extends spirally along an axis of the spring portion.
前記薄膜部は、導電性高分子によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ素子。   The actuator element according to claim 1, wherein the thin film portion is formed of a conductive polymer. 前記ばね部には、電極層が前記ばね部の軸線に沿って螺旋状に設けられ、前記薄膜部は該電極層に積層されて螺旋状に設けられることを特徴とする請求項1または2に記載のアクチュエータ素子。   3. The spring part according to claim 1 or 2, wherein an electrode layer is spirally provided along the axis of the spring part, and the thin film part is provided on the electrode layer in a spiral form. The actuator element described.
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