JP2011176962A

JP2011176962A - 駆動装置

Info

Publication number: JP2011176962A
Application number: JP2010039814A
Authority: JP
Inventors: Junya Wakahara; 淳弥若原
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2011-09-08

Abstract

【課題】進行波により対象物を駆動する上で、十分な駆動性能を実現することができ、且つ、装置の小型化、及び低価格化に適した駆動装置を提供する。
【解決手段】高分子材料を誘電体とし、駆動電圧により伸縮する変位層を２つの電極の間に挟んだ伸縮駆動素子と、伸縮駆動素子の少なくとも一対の端部を固定するベース部材と、を有する高分子アクチュエータと、駆動電圧を前記２つの電極に印加し、変位層を伸縮させる駆動制御部と、を有する駆動装置であって、前記２つの電極のうち一方の電極は、前記少なくとも一対の端部の方向で複数の電極に分割され、駆動制御部は、変位層に進行波が形成されるように、前記複数の電極にそれぞれ電圧を印加し、変位層を伸縮させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動装置に関し、特に高分子アクチュエータを用いた駆動装置に関する。

従来、微小変位を発生させる為の変位素子として、静電引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金式等のマイクロアクチュエータが提案されている。

なかでも圧電型は体積当たりの発生力が大きい為、小型でも実用的な駆動力を発生することができ、小型の撮像装置のアクチュエータ等に用いられている。現在の圧電型の主流は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３）を主材料とする無機アクチュエータである。

圧電型アクチュエータは、ＰＺＴ等で構成される変位層を挟んで形成された２つの電極に駆動信号を印加することで、変位層に電界を印加することにより、層面に垂直な方向に伸縮するとともに、層面に沿った方向に反対の位相で伸縮するものである。

ところで、ＰＺＴは変位量が極めて小さい為、大きな変位量や大きな速度を必要とする用途には適していなかった。さらに、ＰＺＴは鉛を含んでいる為、将来的に使用が制限される懸念がある。

さらに、無機アクチュエータは焼成温度が１０００℃程度もあり、例えば、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）化した際の回路とのハイブリッド性に問題がある。また簡便な製造方法がないこともＭＥＭＳ化や微細化、集積化を妨げるといった問題がある。

また、他の無機小型アクチュエータにおいても、それぞれ動作環境に制限があったり、応答性が不十分であったり、構造が複雑であったり、また柔軟性が欠如している等の問題点があり、用途も制限される。

そこで、これらの問題点に対して、軽量で柔軟な有機材料を用いた高分子アクチュエータが研究されてきている。一般に有機材料はヤング率が低い（柔らかい）為、無機材料と比較して変位力は小さくなるが変位量は大きくなる。また作製に、インクジェット法や印刷法等のウェットプロセスが使用できるので、安価で、大面積の作製が可能であり、さらにはフレキシブル基板対応も可能となる。

高分子アクチュエータは、これらの特徴を生かし、電子カメラ、マイクポンプ、医療機器、搬送装置、ロボット等の駆動源としての応用が検討され、その用途はさらに拡大しつつある。

例えば、特許文献１では、高分子アクチュエータの中でもより大きな変位量と動作速度が得られる柔軟なポリマーを誘電体とした誘電型ポリマーアクチュエータを用いた搬送装置が提案されている。

特許文献１に記載の高分子アクチュエータは、ポリマーを誘電体とする変位層を２つの電極の間に挟んだ構成の複数の伸縮駆動素子を基板上に並設し、各伸縮駆動素子の上端をまたがってシート状の弾性部材を載せて係止した構成とする。そして、各伸縮駆動素子に電圧を順次印加し、垂直方向に順次伸縮させて、弾性部材を変形させて波打たせ、弾性部材に水平方向の進行波を形成することで、弾性部材の上に載置された対象物を弾性部材の進行波により水平方向に搬送させるものである。

特開２００６−１５９３１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の高分子アクチュエータにおいては、弾性部材に進行波を形成させる為に、複数の伸縮駆動素子を配設する必要がある。この為、複数の伸縮駆動素子を配置する為の十分な面積の確保が必要であり高分子アクチュエータの小型化を阻害する。また、複雑な構造により製造コストの高価格化を招くといった問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、進行波により対象物を駆動する上で、十分な駆動性能を実現することができ、且つ、装置の小型化、及び低価格化に適した駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の１から８の何れか１項に記載の発明によって達成される。

１．高分子材料を誘電体とし、駆動電圧により伸縮する変位層を２つの電極の間に挟んだ伸縮駆動素子と、
前記伸縮駆動素子の少なくとも一対の端部を固定するベース部材と、を有する高分子アクチュエータと、
前記駆動電圧を前記２つの電極に印加し、前記変位層を伸縮させる駆動制御部と、
を有する駆動装置であって、
前記２つの電極のうち一方の電極は、前記少なくとも一対の端部の方向で複数の電極に分割され、
前記駆動制御部は、前記変位層に進行波が形成されるように、前記複数の電極にそれぞれ電圧を印加し、前記変位層を伸縮させることを特徴とする駆動装置。

２．前記伸縮駆動素子は、略直交する二対の端部で前記ベース部材に固定され、
前記２つの電極のうち一方の電極は、前記二対の端部のそれぞれの方向で複数の電極に分割されていることを特徴とする前記１に記載の駆動装置。

３．前記伸縮駆動素子は、張力が付与された状態で前記ベース部材に前記少なくとも一対の端部で固定されていることを特徴とする前記１または２に記載の駆動装置。

４．前記変位層の両面にそれぞれ設けられ電極の材料は、ゴム状の導電性樹脂であることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の駆動装置。

５．前記変位層の両面にそれぞれ設けられ電極の材料は、導電性グリスであることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の駆動装置。

６．前記駆動制御部は、前記複数の電極に位相の異なる電圧を印加することを特徴とする前記１から５の何れか１項に記載の駆動装置。

７．前記高分子材料は、誘電エラストマであることを特徴とする前記１から６の何れか１項に記載の駆動装置。

８．前記伸縮駆動素子は、前記変位層を前記２つの電極の間に挟んだ接合体が複数積層されて形成されていることを特徴とする前記７に記載の駆動装置。

本発明によれば、変位層を挟む２つの電極のうち一方の電極を、伸縮駆動素子を固定する少なくとも一対の端部の方向で複数の電極に分割する構成とし、駆動制御部により、変位層に進行波が形成されるように、該複数の電極にそれぞれ電圧を印加し、変位層を伸縮させるようにした。つまり、一つの伸縮駆動素子で進行波を形成できるようにした。

これにより、進行波により対象物を駆動する上で、一つの伸縮駆動素子で対象物を駆動することができ、且つ、装置の小型化、及び低価格化を図ることが可能になる。

本発明の実施形態１に係る駆動装置の概略構成を示す図である。伸縮駆動素子の別の例による構成を示す断面図である。伸縮駆動素子の駆動変形の態様を示す断面模式図である。駆動制御部から出力される伸縮駆動素子を駆動する駆動電圧波形の一例を示す図である。伸縮駆動素子の駆動変形による対象物の搬送態様を示す断面模式図である。本発明の実施形態１に係る伸縮駆動素子の配列例を示す平面である。本発明の実施形態２に係る高分子アクチュエータの概略構成を示す平面図である。本発明の実施形態２に係る伸縮駆動素子の配列例を示す平面図である。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態に係る駆動装置を説明する。尚、本発明は該実施の形態に限られない。

（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る駆動装置の構成を図１を用いて説明する。図１は（ａ）は、実施形態１による駆動装置１の概略構成を示す断面図、図１（ｂ）は、平面図である。

駆動装置１は、高分子アクチュエータ２、及び高分子アクチュエータ２の駆動を制御する駆動制御部３等から構成される。

高分子アクチュエータ２は、変位層２０１、下電極２０２、上電極２０３、上電極２０４等から構成される伸縮駆動素子２０、及び伸縮駆動素子２０を固定するベース部材２１等から構成される。

伸縮駆動素子２０は、柔軟なゴム状のポリマーを誘電体（誘電エラストマ）とする変位層２０１と、変位層２０１の一方の面に形成された駆動電極として機能する上電極２０３および上電極２０４と、変位層２０１の他方の面に形成された共通電極として機能する下電極２０２とが積層されて構成された誘電型ポリマー駆動素子である。

ベース部材２１としては、シリコンやガラス、セラミックス等の硬質の材料で形成されたものや、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のプラスチック材料で構成されたもの等を用いることができる。

伸縮駆動素子２０は、長手方向に張力が付与された状態で、一対の端部２０１ａ・２０１ｂでベース部材２１に接着剤２３等で固定されている。

変位層２０１の一方の面に形成された上電極は、一対の端部２０１ａ・２０１ｂの方向で２つに分割された電極（上電極２０３および上電極２０４）で構成されている。

伸縮駆動素子２０は、上電極２０３および上電極２０４と下電極２０２との間に駆動制御部３より駆動電圧が印加されると、変位層２０１は、静電力により層面に垂直な方向に収縮するとともに、層面に沿った方向に反対の位相で伸長する。この時、伸縮駆動素子２０は、前述のように、長手方向に張力が付与された状態で、一対の端部２０１ａ・２０１ｂでベース部材２１に固定されているので、効率よく伸縮駆動素子２０を伸縮させることができる。尚、駆動制御部３よる伸縮駆動素子２０の駆動変形の態様の詳細は後述する。

上電極２０３、上電極２０４、及び下電極２０２は、変位層２０１（誘電ポリマー）の伸縮に追従して伸縮することが望ましく、その材料としては、例えば、シリコンゴムにカーボンブラック等の導電性物質を含有した導電性樹脂のような柔軟な材料や、ペースト状の導電性グリス等を用いることができる。尚、電極の材料としては、これらの材料に限定されることなく誘電ポリマーの伸縮に追従できる柔軟な材料であればよい。

電極の材料に導電性樹脂を用いた場合、電極と誘電ポリマーとの接合は、接着剤等を用いて接合してもよいが、誘電ポリマーそのものに多少の粘着性を持っていることからその粘着性で接合することが可能である。また、誘電ポリマーを製作する際、加熱して完全硬化する直前の状態、すなわち完全硬化時より粘着性が高い状態で接合したり、さらには、誘電ポリマーの表面をプライマーを用いて活性化して粘着性を高めた上で接合することもできる。

また、電極の材料に導電性グリスを用いた場合も、前述の導電性樹脂の場合と同様にして、誘電ポリマーと接合することができる。尚、この場合は、導電性グリスの電極形成領域からの流出を防止する為に、レジスト材料等を用いて電極形成領域の周縁に隔壁を設けるとよい。

駆動制御部３は、伸縮駆動素子２０の変位層２０１に進行波が形成されるように、上電極２０４、上電極２０３と下電極２０２の間にそれぞれ電圧を印加し、変位層２０１を伸縮させる。

ここで、駆動制御部３による伸縮駆動素子２０の駆動方法、及び伸縮駆動素子２０の駆動変形の態様を図３、図４を用いて説明する。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、伸縮駆動素子２０の駆動変形の態様を示す断面模式図である。尚、図３（ｂ）〜図３（ｄ）において、各電極の図示は省略してある。図４は、駆動制御部３から出力される伸縮駆動素子２０を駆動する駆動電圧波形の一例を示す図である。尚、図４において、Ｖ２０４、Ｖ２０３は、それぞれ上電極２０４、上電極２０３に印加する駆動電圧波形を示す。

最初に、図３（ａ）、図４（区間ａ）に示すように、上電極２０４、上電極２０３の両方に駆動電圧Ｖ２０４、駆動電圧Ｖ２０３を印加していない状態では、変位層２０１は、平坦な状態を保っている。

次に、図３（ｂ）、図４（区間ｂ）に示すように、上電極２０４に駆動電圧Ｖ２０４を印加すると、変位層２０１の上電極２０４に対応する領域が伸長し、ベース部材２１から反り上がり、変位層２０１の中央の点Ｐは、左上に向けて上昇する。

次に、図３（ｃ）、図４（区間ｃ）に示すように、上電極２０４、上電極２０３の両方にそれぞれ駆動電圧Ｖ２０４、駆動電圧Ｖ２０３を印加すると、変位層２０１の上電極２０４、上電極２０３のそれぞれに対応する領域が伸長し、ベース部材２１から略均等に反り上がり、変位層２０１の中央の点Ｐは、中央に向けて戻りながらさらに上昇する。

次に、図３（ｄ）、図４（区間ｄ）に示すように、上電極２０４への駆動電圧Ｖ２０４の印加を停止し、上電極２０３のみに駆動電圧Ｖ２０３を印加すると、変位層２０１の上電極２０４対応する領域は収縮し、上電極２０３に対応する領域のみ伸長し、ベース部材２１から反り上がり、変位層２０１の中央の点Ｐは、右下に向けて下降する。

次に、図４（区間ｅ）に示すように、上電極２０３への駆動電圧Ｖ２０３の印加を停止すると、変位層２０１の上電極２０３対応する領域は収縮し、変位層２０１の中央の点Ｐは、中央に向けて戻りながらさらに下降し、変位層２０１は、図３（ａ）に示したように初期の平坦な状態に戻る。

このように、上電極２０４、上電極２０３に位相の異なる駆動電圧を順次印加する前述の一連の動作を繰り返すことにより、図５に示すように、変位層２０１の一点、例えば点Ｐのみに着目すると、Ｐ点は、楕円軌道Ｄを描くように変位する。すなわち、変位層２０１に連続的に進行波を形成させることができる。そして、変位層２０１により進行波が形成された伸縮駆動素子２０に対象物５を載置すると、対象物５を例えば矢印Ｘ方向に搬送することができる。尚、上電極２０４、上電極２０３にそれぞれ印加する駆動電圧の相対的な位相をシフトさせると、点Ｐによる楕円軌道Ｄの周回方向を逆方向にすることができ、搬送物５の搬送方向を反転させることができる。また、駆動制御部３が出力する駆動電圧波形は、図４に示したように、矩形波としたが、これに限定されることなく正弦波や鋸状波等、変位層２０１に進行波を形成可能なものであればよい。

図６に、伸縮駆動素子２０の配列例を示す。このように、ベース部材２１上に複数の伸縮駆動素子２０をマトリクス状に配列することにより、対象物をより大きな搬送力で長手方向に安定して搬送することができる。

また、このように、対象物をより大きな搬送力で安定して搬送可能とする為に、伸縮駆動素子２０を複数配列した場合でも、伸縮駆動素子２０は、単一で進行波を形成することができるので、伸縮駆動素子２０の数を少なくすることができる。これにより、伸縮駆動素子２０を配置する為の面積を小さくすることができ、高分子アクチュエータアレイ２Ａを小型化することができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る高分子アクチュエータの構成を図７を用いて説明する。図７は、実施形態２による高分子アクチュエータ２の概略構成を示す平面図である。

実施形態２による高分子アクチュエータ２の基本構成は、実施形態１の場合と概ね同様なのでその説明は省略し、実施形態１の場合と異なる変位層２０１、上電極について説明する。

本実施形態における変位層２０１は十字形状に形成され、ｘ方向、ｙ方向にそれぞれ張力が付与された状態で、二対の端部２０１ａ・２０１ｂ、端部２０１ｃ・２０１ｄでベース部材２１に接着剤２３等で固定されている。

変位層２０１の一方の面に形成された上電極は、一対の端部２０１ａ・２０１ｂ、及び一対の端部２０１ｃ・２０１ｄの方向でそれぞれ２つに分割された電極（上電極２０５・２０６、上電極２０７・３０８）で構成されている。

このような構成の伸縮駆動素子２０においては、上電極２０５、上電極２０６に位相の異なる駆動電圧を印加することにより、実施形態１の場合と同様に、変位層２０１にｘ方向の進行波を形成させることができるとともに、上電極２０７、上電極２０８に位相の異なる駆動電圧を印加することにより、変位層２０１にｙ方向の進行波を形成させることができる。

また、上電極２０５、上電極２０６、及び上電極２０７、上電極２０８に位相の異なる駆動電圧を同時に印加することにより、変位層２０１に斜め方向（例えばＲ方向）の進行波を形成させることができる。

図８に、伸縮駆動素子２０の配列例を示す。このように、ベース部材２１上に複数の伸縮駆動素子２０を千鳥格子状に配列することにより、実施形態１の場合と同様の効果を得ることができる。さらに、複数の伸縮駆動素子２０間で上電極２０５、上電極２０６、及び上電極２０７、上電極２０８に印加する駆動電圧の位相をシフトさせることで、それぞれの伸縮駆動素子２０で形成される進行波の方向を異ならせることができ、伸縮駆動素子２０全体として、円状の進行波を形成することができる。これにより、対象物を回転することもできる。

このように、本発明の実施形態に係る駆動装置１においては、変位層２０１を挟む２つの電極のうち一方の電極（上電極）を、伸縮駆動素子２０を固定する少なくとも一対の端部２０１ａ・２０１ｂの方向で複数の電極（例えば上電極２０３、上電極２０４）に分割する構成とし、駆動制御部３により、変位層２０１に進行波が形成されるように、該複数の電極にそれぞれ駆動電圧（例えばＶ２０３、Ｖ２０４）を印加し、変位層２０１を伸縮させるようにした。つまり、一つの伸縮駆動素子２０で進行波を形成できるようにした。

これにより、進行波により対象物５を駆動する上で、一つの伸縮駆動素子２０で対象物５を駆動することができ、且つ、駆動装置１の小型化、及び低価格化を図ることが可能になる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。例えば、前述の実施形態１における上電極は、一対の端部２０１ａ・２０１ｂの方向で２つに分割した電極構成（上電極２０３および上電極２０４）としたが、これ以上にさらに細かく分割した構成であってもよい。この場合は、より円滑な搬送制御を行うことができる。

また、実施形態１における伸縮駆動素子２０は、変位層２０１を上電極２０３、上電極２０４と下電極２０２の間に挟んだ１枚の接合体で構成したが、図２に示すように、このような接合体を絶縁層２０９を挟んで複数積層する構成としてもよい。この場合は、より大きな変位力を得ることができる。尚、積層する際には、シート状の１枚の接合体をロール状に巻き回して積層してもよい。

１駆動装置
２Ａ高分子アクチュエータアレイ
２高分子アクチュエータ（誘電型ポリマーアクチュエータ）
２０伸縮駆動素子
２０１変位層（誘電ポリマー）
２０２下電極（共通電極）
２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８上電極（駆動電極）
２０９絶縁層
２１ベース部材
２３接着剤
３駆動制御部
５対象物

Claims

高分子材料を誘電体とし、駆動電圧により伸縮する変位層を２つの電極の間に挟んだ伸縮駆動素子と、
前記伸縮駆動素子の少なくとも一対の端部を固定するベース部材と、を有する高分子アクチュエータと、
前記駆動電圧を前記２つの電極に印加し、前記変位層を伸縮させる駆動制御部と、
を有する駆動装置であって、
前記２つの電極のうち一方の電極は、前記少なくとも一対の端部の方向で複数の電極に分割され、
前記駆動制御部は、前記変位層に進行波が形成されるように、前記複数の電極にそれぞれ電圧を印加し、前記変位層を伸縮させることを特徴とする駆動装置。
前記伸縮駆動素子は、略直交する二対の端部で前記ベース部材に固定され、
前記２つの電極のうち一方の電極は、前記二対の端部のそれぞれの方向で複数の電極に分割されていることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記伸縮駆動素子は、張力が付与された状態で前記ベース部材に前記少なくとも一対の端部で固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
前記変位層の両面にそれぞれ設けられ電極の材料は、ゴム状の導電性樹脂であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の駆動装置。
前記変位層の両面にそれぞれ設けられ電極の材料は、導電性グリスであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の駆動装置。
前記駆動制御部は、前記複数の電極に位相の異なる電圧を印加することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の駆動装置。
前記高分子材料は、誘電エラストマであることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の駆動装置。
前記伸縮駆動素子は、前記変位層を前記２つの電極の間に挟んだ接合体が複数積層されて形成されていることを特徴とする請求項７に記載の駆動装置。