JP2011100861A

JP2011100861A - アクチュエータ

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Publication number: JP2011100861A
Application number: JP2009254778A
Authority: JP
Inventors: Shozo Odera; 昭三大寺
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: JP5614026B2

Abstract

【課題】本発明は、軽量化することができ、サイズが小型でも変位の大きいアクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明は、高分子の電歪材料で形成された電歪シート（シート）２と、電歪シート（シート）２の表裏両面に、所定の間隔にて形成してある電極膜３と、電歪シート（シート）２の弾性率以上の弾性率を有し、電歪シート（シート）２の少なくとも一面に電極膜３と交互に形成してある補強部材４とを備えるアクチュエータである。電歪シート（シート）２を蛇腹形状に折り曲げて、電極膜３と補強部材４とを交互に積層する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関し、特に、高分子の電歪材料で形成されたシートを備えるアクチュエータに関する。

医療機器、産業用ロボット等の精緻な動きを要求される機器にアクチュエータが使用される機会が多くなってきている。使用される機会が多くなるに従い、サイズが小型で変位の大きいアクチュエータを開発することが急務となっている。例えば特許文献１には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミック材料を積層して、サイズが小型で変位の大きいアクチュエータが開示されている。

特許文献１に開示されているアクチュエータは、圧電セラミック材料を積層したアクチュエータ部材を３組備え、３組のアクチュエータ部材が互いに直列になるように連結部材で結合している。そのため、特許文献１に開示されているアクチュエータは、アクチュエータ部材を１組用いた同じサイズのアクチュエータに比べて変位が大きくなる。

特開平３−２２８６９号公報

特許文献１に開示されているアクチュエータは、３組のアクチュエータ部材を連結部材で結合する複雑な作業が必要となるため、安価に製造することができないという問題点があった。また、特許文献１に開示されているアクチュエータは、アクチュエータ部材自体がアクチュエータの骨組みを構成しているため、アクチュエータ部材に高分子の電歪材料、例えばＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）を用いることができず、硬い圧電セラミック材料を用いる必要があった。よって、特許文献１に開示されているアクチュエータは、圧電セラミック材料に比べて軽い高分子の電歪材料を用いることができず、軽量化することができないという問題点があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、軽量化することができ、サイズが小型でも変位の大きいアクチュエータを提供することを目的とする。また、本発明は、簡単な作業のみで組み立てるため安価に製造できるアクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために第１発明に係るアクチュエータは、高分子の電歪材料で形成されたシートと、該シートの表裏両面に、所定の間隔にて形成してある電極膜と、前記シートの弾性率以上の弾性率を有し、前記シートの少なくとも一面に前記電極膜と交互に形成してある補強部材とを備え、前記シートを蛇腹形状に折り曲げて、前記電極膜と前記補強部材とを交互に積層する。

また、第２発明に係るアクチュエータは、第１発明において、少なくとも前記電極膜を形成してある前記シートの部分のそれぞれに対して、前記シートの長辺方向に所定の張力を加える引張り手段を備える。

また、第３発明に係るアクチュエータは、第１又は第２発明において、前記補強部材は、ポリエチレンテレフタレート、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、非晶ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、液晶ポリマーのいずれかで形成してある。

また、第４発明に係るアクチュエータは、第１又は第２発明において、前記電極膜を形成してある部分の前記シートの厚みに比べて、前記シートの厚みを厚くすることで前記補強部材を構成する。

第１発明では、シートと、電極膜と、補強部材とを備えるアクチュエータにおいて、シートを蛇腹形状に折り曲げて、電極膜と補強部材とを交互に積層することで、電極膜を形成してあるシートの部分のそれぞれの伸びが累積して、電極膜を形成してあるシートを折り曲げずに用いた同じサイズのアクチュエータに比べて変位が大きくなる。また、第１発明では、シートを蛇腹形状に折り曲げる等の簡単な作業のみで組み立てるため安価に製造できるとともに、シートを蛇腹形状に折り曲げるためサイズを小型化することができる。さらに、第１発明では、高分子の電歪材料で形成されたシートを用いるため、圧電セラミック材料を用いたアクチュエータに比べて軽量化することができる。

第２発明では、少なくとも電極膜を形成してあるシートの部分のそれぞれに対して、シートの長辺方向に所定の張力を加える引張り手段を備えるので、シートの厚みが薄くても、シートに変位を生じさせることができ、アクチュエータをより小型化、軽量化することができる。

第３発明では、補強部材は、ポリエチレンテレフタレート、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、非晶ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、液晶ポリマーのいずれかで形成してあるので、シートの形状を維持できるように補強する部材を軽量化することができ、アクチュエータ自体を軽量化することができる。

第４発明では、電極膜を形成してある部分のシートの厚みに比べて、シートの厚みを厚くすることで補強部材を構成するので、補強部材を形成する部分に、シート自体に強度を持たせて補強部材を構成することができ、補強部材のために別途材料を準備する必要がない。

本発明に係るアクチュエータは、シートと、電極膜と、補強部材とを備えるアクチュエータにおいて、シートを蛇腹形状に折り曲げて、電極膜と補強部材とを交互に積層することで、電極膜を形成してあるシートの部分のそれぞれの伸びが累積して、電極膜を形成してあるシートを折り曲げずに用いた同じサイズのアクチュエータに比べて変位が大きくなる。また、シートを蛇腹形状に折り曲げる等の簡単な作業のみで組み立てるため安価に製造できるとともに、シートを蛇腹形状に折り曲げるためサイズを小型化することができる。さらに、高分子の電歪材料で形成されたシートを用いるため、圧電セラミック材料を用いたアクチュエータに比べて軽量化することができる。

本発明の実施の形態に係るアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態に係るアクチュエータの形状を維持する手段を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態に係るアクチュエータの形状を維持する別の手段を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態に係るアクチュエータの引張り手段を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態に係るアクチュエータの製造方法を模式的に示す斜視図である。本発明の実施の形態に係るアクチュエータの製造方法を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態に係るアクチュエータについて、図面を用いて具体的に説明する。以下の実施の形態は、特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではなく、実施の形態の中で説明されている特徴的事項の組み合わせの全てが解決手段の必須事項であるとは限らないことは言うまでもない。

図１は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、アクチュエータ１は、蛇腹形状に折り曲げられた電歪シート（シート）２と、電歪シート２の表裏両面に、所定の間隔にて形成してある電極膜３と、電歪シート２の表裏両面に、電極膜３と交互に形成してある補強部材４とを備える。

電歪シート２は、高分子電歪材料から形成され、強誘電性を有する高分子圧電材料であれば、特に限定されるものではない。例えばＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）系のコーポリマであるＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ、あるいはＰＶＤＦ系のターポリマ、例えばＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＤＦＥ、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＡ、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＶＣ等が好ましい。なお、ＴｒＦＥはトリフルオロエチレンを、ＣＦＥはクロロフルオロエチレンを、ＣＴＦＥはクロロトリフルオロエチレンを、ＣＤＦＥはクロロディフルオロエチレンを、ＨＦＡはヘキサフルオロアセトンを、ＨＦＰはヘキサフルオロプロピレンを、ＶＣはビニルクロライドを、それぞれ示している。

具体的には、電歪シート２として、上述した高分子電歪材料を用いて数μｍから１００μｍ程度の１枚のシートを成形する。電歪シート２の表裏両面に、蒸着あるいはスパッタにより、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｐｔ−Ｐｄ（白金−パラジウム合金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ａｕ−Ｐｄ（金パラジウム合金）等の金属膜を電極膜３として形成する。なお、電極膜３の膜厚は、２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。

補強部材４は、電歪シート２の形状を維持できるように補強する部材であり、電歪シート２の弾性率以上の弾性率を有する材料、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）板で形成してある。補強部材４は、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、非晶ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、フッ素樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などのエンジニアリングプラスチックであっても良い。ＰＥＴ板を、エポキシ系の熱硬化接着剤又はＵＶ硬化接着剤を用いて電歪シート２に貼り付けることで、電歪シート２に補強部材４を形成することができる。補強部材４を貼り付ける位置は、電歪シート２に所定の間隔にて形成した電極膜３と電極膜３との間であり、電歪シート２に電極膜３と補強部材４とが交互に形成される。なお、補強部材４は、電歪シート２の表裏両面に形成される場合に限定されるものではなく、電歪シート２の表又は裏の片面に形成する場合であっても良い。また、ＰＥＴ板をエポキシ系の熱硬化接着剤又はＵＶ硬化接着剤を用いて電歪シート２に貼り付けて補強部材４を形成する場合に限定されるものではなく、電極膜３を形成してある電歪シート２の部分の厚みに比べて、電歪シート２自体の厚みを厚くして、電歪シート２自体に強度を持たせて補強部材４として機能させても良い。

電歪シート２を蛇腹形状に折り曲げて、電極膜３と補強部材４とを交互に積層する。積層した補強部材４同士は、後述するように互いに結合されているため、補強部材４の移動が制約され、一つの補強部材４の移動が他の補強部材４に影響を与える。従って、補強部材４は、電歪シート２が伸びる方向には移動しやすいが、伸びる方向以外の方向には移動しにくく、結果的に一方向にのみ移動することになる。また、電歪シート２が伸び、伸びた電歪シート２に直接繋がっている補強部材４が移動すると、他の補強部材４も移動する。

アクチュエータ１は、電歪シート２を蛇腹形状に折り曲げて、電極膜３と補強部材４とを交互に積層した形状を維持する必要がある。具体的に、アクチュエータ１の形状を維持する手段について詳しく説明する。図２は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ１の形状を維持する手段を模式的に示す断面図である。図２は、図１に示すアクチュエータ１のＡ−Ａでの断面図である。図２に示すように、アクチュエータ１は筐体５を備え、筐体５でアクチュエータ１の形状を維持している。つまり、電極膜３を形成してある電歪シート２は伸び縮みするため筐体５に保持せず、補強部材４を電歪シート２が伸びる方向に移動することができるように筐体５のレール部５ａに保持することで、補強部材４同士を結合し、アクチュエータ１の形状を維持している。それぞれの補強部材４を、レール部５ａに保持することで、レール部５ａに沿って図２の紙面に対して垂直方向（電歪シート２が伸びる方向）に移動することが可能である。

アクチュエータ１の形状を維持する手段は、筐体５を備える場合に限定されるものではない。例えば、図３は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ１の形状を維持する別の手段を模式的に示す断面図である。図３は、図１に示すアクチュエータ１のＡ−Ａでの断面図である。図３に示すように、アクチュエータ１は筐体５を備えず、補強部材４と、他の補強部材４とを結合するためのアーム４ａを有している。アーム４ａを用いて、補強部材４同士を結合することで、筐体５を備えずにアクチュエータ１の形状を維持することができる。また、アーム４ａは、補強部材４の端部と嵌合するレール部４ｂを有しており、補強部材４の端部とレール部４ｂとを嵌合させて、それぞれの補強部材４をレール部４ｂに沿って図３の紙面に対して垂直方向（電歪シート２が伸びる方向）に移動することが可能である。

なお、図３の紙面の左側に位置する補強部材４のアーム４ａが、図３の紙面の右側に位置する他の補強部材４を順次結合することで、筐体５を備えずに補強部材４同士を結合する構成に限定されるものではなく、図３の紙面の右側に位置する補強部材４のアーム４ａが、図３の紙面の左側に位置する他の補強部材４を順次結合する構成であっても良い。

次に、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ１の動作について説明する。説明を簡単にするため、図１に示すアクチュエータ１は、図１の紙面の左側から順に第１層１１、第２層１２、第３層１３、第４層１４、第５層１５、第６層１６、第７層１７の七つの層で構成されているものとする。七つの層のうち、第１層１１、第３層１３、第５層１５及び第７層１７は、電極膜３を形成してある電歪シート２の部分を含み、第２層１２、第４層１４及び第６層１６は、補強部材４を形成してある電歪シート２の部分を含む。

電歪シート２は、電極膜３に電圧を印加すると電極膜３の垂直方向に縮み、電極膜３の水平方向に伸びるように変形するので、第１層１１、第３層１３、第５層１５及び第７層１７の電歪シート２が電極膜３の水平方向（図１の紙面の下方向）に伸びる。ここで、第１層１１の電歪シート２の端部２１は、筐体５（図示せず）等に固定されているものとする。

第１層１１の電極膜３に電圧を印加すると第１層１１の電歪シート２が矢印１１ａの方向に伸び、第１層１１の電歪シート２と直接繋がっている第２層１２の補強部材４も矢印１１ａの方向に移動し、第２層１２の補強部材４と結合した第４層１４及び第６層１６の補強部材４も矢印１１ａの方向に共に移動する。同様に、第３層１３の電極膜３に電圧を印加すると第３層１３の電歪シート２が矢印１３ａの方向に伸び、第３層１３の電歪シート２と直接繋がっている第４層１４の補強部材４も矢印１３ａの方向に移動し、第４層１４の補強部材４と結合した第６層１６の補強部材４も矢印１３ａの方向に共に移動する。また、第５層１５の電極膜３に電圧を印加すると第５層１５の電歪シート２が矢印１５ａの方向に伸び、第５層１５の電歪シート２と直接繋がっている第６層１６の補強部材４も矢印１５ａの方向に移動する。さらに、第７層１７の電極膜３に電圧を印加すると第７層１７の電歪シート２も矢印１７ａの方向に伸びる。

第２層１２、第４層１４及び第６層１６のそれぞれの補強部材４が移動することで、第１層１１、第３層１３、第５層１５及び第７層１７のそれぞれの電歪シート２の伸びが累積し、第７層１７の電歪シート２の端部２２は、伸びを累積した位置まで変位する。端部２２が矢印２２ａの方向に変位する大きさは、第１層１１の電歪シート２のみを用いた同じサイズのアクチュエータと比べて、約４倍になる。つまり、第１層１１、第３層１３、第５層１５及び第７層１７のそれぞれの電歪シート２が約３％変位した場合、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ１は約１２％変位することができる。さらに、電歪シート２を蛇腹形状に折り曲げて電極膜３と補強部材４とを積層する数を増やすことで、端部２２の変位をより大きくすることが可能となる。

なお、電歪シート２は、厚みが薄いと、電極膜３に電圧を印加しても伸びを変位として外部に取り出せない場合がある。この場合に電歪シート２の伸びを変位として外部に取り出すには、電極膜３に電圧を印加していない状態で、少なくとも電極膜３を形成してある電歪シート２の部分のそれぞれに対して、電歪シート２の長辺方向に所定の張力を加えておく必要がある。つまり、アクチュエータ１は、電歪シート２の長辺方向に所定の張力を加える引張り手段をさらに備える必要がある。

図４は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ１の引張り手段を模式的に示す断面図である。図４に示すように、筐体５と各補強部材４との間に弾性体４１（例えばバネ）を備える。弾性体４１は、縮んだ状態で各補強部材４に設置することで、各補強部材４を図４の紙面の下方向へ押す力が作用し、各補強部材４に直接繋がった電歪シート２に対して、電歪シート２の長辺方向に所定の張力を加えることができる。なお、弾性体４１は、電極膜３を形成してある電歪シート２のそれぞれの部分に所定の張力が加わるように配置する。

引張り手段として、筐体５と各補強部材４との間に弾性体４１を設ける構成に限定されるものではなく、少なくとも電極膜３を形成してある電歪シート２の部分のそれぞれに対して、電歪シート２の長辺方向に所定の張力を加えることが可能な構成であれば、他の構成であっても良い。例えば、図４に示す端部２２において、矢印２２ｂの方向へ荷重を与えることで、電歪シート２の長辺方向に所定の張力を加える方法であっても良い。

次に、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ１を製造する方法について説明する。図５及び図６は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ１の製造方法を模式的に示す斜視図である。図５に示すように、電歪シート２を準備し、準備した電歪シート２の表裏両面に、蒸着あるいはスパッタにより、Ｎｉ（ニッケル）等の金属膜を電極膜３として形成する。電極膜３は、電歪シート２に所定の間隔で４カ所形成されている。これは、図１に示すアクチュエータ１のように、電極膜３を形成してある電歪シート２の部分を４層積層したアクチュエータ１を形成するためであり、電極膜３を形成してある電歪シート２の部分をさらに多層積層したアクチュエータ１を形成するのであれば、電歪シート２に所定の間隔で電極膜３を多数形成する必要がある。

図６に示すように、電極膜３を形成してある電歪シート２の表裏両面に、ＰＥＴ板をエポキシ系の熱硬化接着剤等を用いて貼り付けて補強部材４を形成する。補強部材４は、電極膜３と電極膜３との間の電歪シート２に、３カ所形成されている。電極膜３の数が多くなれば、電極膜３と電極膜３との間の電歪シート２の部分の数も増え、形成する補強部材４の数も多くなる。

電極膜３及び補強部材４を形成してある電歪シート２を蛇腹形状に折り曲げて、電極膜３と補強部材４とを交互に積層したアクチュエータ１を形成する。電極膜３と補強部材４とを交互に積層したアクチュエータ１は、図１に示すように構成され、積層した補強部材４同士は、図２又は図３のように所定の方向に移動可能なように結合する。

以上のように、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ１は、電歪シート２と、電極膜３と、補強部材４とを備え、電歪シート２を蛇腹形状に折り曲げて、電極膜３と補強部材４とを交互に積層することで、電極膜３を形成してある電歪シート２の部分のそれぞれの伸びが累積して、第１層１１の電歪シート２のみを用いた同じサイズのアクチュエータに比べて変位が大きくなる。また、電歪シート２を蛇腹形状に折り曲げる等の簡単な作業のみで組み立てるため安価に製造でき、電歪シート２を蛇腹形状に折り曲げるためサイズを小型化することができる。さらに、高分子の電歪材料で形成された電歪シート２を用いるため、圧電セラミック材料を用いたアクチュエータに比べて軽量化することができる。

１アクチュエータ
２電歪シート
３電極膜
４補強部材
４ａアーム
４ｂ、５ａレール部
５筐体
２１、２２端部
４１弾性体（引張り手段）

Claims

高分子の電歪材料で形成されたシートと、
該シートの表裏両面に、所定の間隔にて形成してある電極膜と、
前記シートの弾性率以上の弾性率を有し、前記シートの少なくとも一面に前記電極膜と交互に形成してある補強部材と
を備え、
前記シートを蛇腹形状に折り曲げて、前記電極膜と前記補強部材とを交互に積層することを特徴とするアクチュエータ。
少なくとも前記電極膜を形成してある前記シートの部分のそれぞれに対して、前記シートの長辺方向に所定の張力を加える引張り手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記補強部材は、ポリエチレンテレフタレート、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、非晶ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、液晶ポリマーのいずれかで形成してある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。
前記電極膜を形成してある部分の前記シートの厚みに比べて、前記シートの厚みを厚くすることで前記補強部材を構成する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。