JP2011223813A - Actuator - Google Patents

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Tetsuo Matsumoto
哲郎 松本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer actuator capable of detecting displacement.SOLUTION: The actuator comprises an electrolyte membrane which incorporates movable ions, first and second driving electrode layers which are formed on both surfaces of the electrolyte membrane respectively and give the electrolyte membrane a potential difference with external voltage, and a sensor electrode layer which is formed on at least one surface of the above electrolyte membrane, extends in a direction of being bent by bending of the electrolyte membrane and detects a voltage generated on the electrolyte membrane surface.

Description

本発明はアクチュエーターに関し、特に変位の方向や変位の程度を検出可能な構成等を備えたアクチュエーターに関するものである。   The present invention relates to an actuator, and more particularly to an actuator having a configuration capable of detecting the direction and degree of displacement.

アクチュエーターの種類の一つに高分子アクチュエーターがある。このアクチュエーターは、ゴムのような柔らかい材質であるが、電圧を加えると曲がり、加えていないときは元に戻る特徴を持っている。例えば、イオン交換膜の両側に電極を形成し、イオン交換膜に電位差を与えてイオン交換膜に変形を発生させる。このような高分子電解質膜形のアクチュエーターの例が特開平4−275078号公報や特開平11−169393号公報に記載されている。   One type of actuator is a polymer actuator. This actuator is a soft material such as rubber, but it bends when a voltage is applied and returns to its original when no voltage is applied. For example, electrodes are formed on both sides of the ion exchange membrane, and a potential difference is applied to the ion exchange membrane to cause deformation of the ion exchange membrane. Examples of such polymer electrolyte membrane type actuators are described in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. H4-275078 and H11-169393.

特開平4−275078号公報Japanese Patent Laid-Open No. 4-275078 特開平11−169393号公報JP 11-169393 A

上述のような高分子アクチュエーターをロボットアームのような機械的な構造体に応用する場合、アクチュエーターの曲がり(変形)加減を制御する必要がある。この制御を行うためカメラや角度センサー等が用いられる。センサー類はロボットアームに付加されたり、ロボットアームの外部に配置されてロボットアームの姿勢を観察(検出)する。例えば、ロボットアームの関節の軸にボリュウムを付加し角度を抵抗値に変換したり、また、カメラでロボットアームの全体をとらえ、画像認識によって位置情報を得ている。   When the polymer actuator as described above is applied to a mechanical structure such as a robot arm, it is necessary to control the bending (deformation) of the actuator. In order to perform this control, a camera, an angle sensor, or the like is used. Sensors are added to the robot arm or arranged outside the robot arm to observe (detect) the posture of the robot arm. For example, a volume is added to the axis of the joint of the robot arm to convert the angle into a resistance value, or the entire robot arm is captured by a camera, and position information is obtained by image recognition.

しかしながら、これらのロボットアーム等の構造体はアクチュエーターの他にセンサー類を別途用意しなければならず、高分子アクチュエーター自体は比較的に簡単な構造で小型に構成できるにも拘わらず、アクチュエーターの構造体全体を小型に構成することは難しい。   However, these robot arms and other structures require sensors in addition to the actuators, and the polymer actuators themselves are relatively simple and can be made compact. It is difficult to make the whole body small.

本発明は小型のアクチュエーター構造体を構成し得るアクチュエーターを提供することを目的の1つとする。   An object of the present invention is to provide an actuator that can constitute a small actuator structure.

また、本発明は自己の変位や変形を単体で検出可能なアクチュエーターを提供することを目的の1つとする。   Another object of the present invention is to provide an actuator that can detect the displacement and deformation of itself.

本発明の一態様のアクチュエーターは、電界が与えられることにより変形するアクチュエーター材料と、前記アクチュエーター材料に前記電界を与えるための第1の駆動電極、及び第2の駆動電極と、上記アクチュエーター材料の変形の方向及び程度のうちの少なくとも1つを検出するためのセンサー電極と、を備える。   The actuator of one embodiment of the present invention includes an actuator material that is deformed when an electric field is applied thereto, a first drive electrode and a second drive electrode for applying the electric field to the actuator material, and a deformation of the actuator material. A sensor electrode for detecting at least one of the direction and the degree.

かかる構成によれば、アクチュエーターの変形の方向及び程度のうちの少なくとも1つを検出するセンサーがアクチュエーターと一体化されるので、アクチュエーターの構造体全体を小型化することができる。   According to such a configuration, since the sensor that detects at least one of the direction and degree of deformation of the actuator is integrated with the actuator, the entire structure of the actuator can be reduced in size.

上記アクチュエーター材料を含む層の第1面に上記第1の駆動電極及び上記センサー電極とが配置され、上記アクチュエーター材料を含む層の上記第1面に対向する第2面に上記第2の駆動電極が配置されることが望ましい。それにより、アクチュエーター材料層の厚さ方向に電界を印加することができる。   The first drive electrode and the sensor electrode are disposed on a first surface of the layer including the actuator material, and the second drive electrode is disposed on a second surface of the layer including the actuator material facing the first surface. Is preferably arranged. Thereby, an electric field can be applied in the thickness direction of the actuator material layer.

上記センサー電極は電圧を検出することが望ましい。それにより、アクチュエーター材料層の変形の方向及び程度の少なくともいずれかを検出することが可能となる。   The sensor electrode preferably detects a voltage. Accordingly, it is possible to detect at least one of the direction and the degree of deformation of the actuator material layer.

上記アクチュエーター材料は電界が与えられることにより移動可能なイオンを含む電解質であることが望ましい。それにより、電界の印加によって変形するアクチュエータを得ることができる。   The actuator material is preferably an electrolyte containing ions that can move when an electric field is applied. Thus, an actuator that is deformed by application of an electric field can be obtained.

ここで、電解質膜はイオンを通す性質の膜であり、電解質膜を挟む負極と正極が電気的にショートしないような性質も持つ膜である。もっともこれに限定されるものではなく、電圧の印加によって膜中のイオンが移動(あるいは偏倚)し当該膜の形状が変形するものであればよい。   Here, the electrolyte membrane is a membrane that allows ions to pass through, and is also a membrane that has a property that the negative electrode and the positive electrode sandwiching the electrolyte membrane do not electrically short-circuit. However, the present invention is not limited to this, and any ion may be used as long as ions in the film move (or deviate) by applying a voltage and the shape of the film changes.

かかる構成によれば、センサー電極層が電解質膜に設けられ、駆動電極層への電圧印加によってイオンが移動し湾曲する電解質膜の膜表面の電荷が検出される。この電荷は電解質膜の湾曲量に対応するのでセンサ電極層に発生する電圧でアクチュエーターの湾曲や曲がり加減(変形量)を知ることができる。変形量を検出するセンサーがアクチュエーターと一体化されるのでアクチュエーターの構造体全体を小型に構成することができる。   According to this configuration, the sensor electrode layer is provided on the electrolyte membrane, and the charge on the membrane surface of the electrolyte membrane in which ions move and bend by application of voltage to the drive electrode layer is detected. Since this electric charge corresponds to the bending amount of the electrolyte membrane, the bending or bending (deformation amount) of the actuator can be known by the voltage generated in the sensor electrode layer. Since the sensor for detecting the deformation amount is integrated with the actuator, the entire structure of the actuator can be made compact.

上記アクチュエーター材料は電界が与えられることにより変形する圧電材料であることが望ましい。電解質膜と同様に電圧の印加によって変形すれば良く、無機材料であっても良い。それにより、電界の印加によって変形するアクチュエータを得ることができる。   The actuator material is preferably a piezoelectric material that deforms when an electric field is applied. Similar to the electrolyte membrane, it may be deformed by applying a voltage, and may be an inorganic material. Thus, an actuator that is deformed by application of an electric field can be obtained.

上記センサー電極は前記アクチュエーター材料の上の一方向に延在して配置され、上記一方向における上記アクチュエーター材料の湾曲に対応した電圧を検出することが望ましい。それにより、延在方向における湾曲(曲がり)程度に応じた電圧をセンサー電極層により検出することができる。   Preferably, the sensor electrode extends in one direction on the actuator material and detects a voltage corresponding to the bending of the actuator material in the one direction. Thereby, a voltage corresponding to the degree of bending (bending) in the extending direction can be detected by the sensor electrode layer.

上記センサー電極層は上記電解質膜の湾曲によって曲げられる方向に延在することが望ましい。それにより、湾曲した電解質膜部分に発生した電圧をセンサー電極層により検出することができる。   The sensor electrode layer preferably extends in a direction bent by the curvature of the electrolyte membrane. Thereby, the voltage generated in the curved electrolyte membrane portion can be detected by the sensor electrode layer.

上記第1の駆動電極及び第2の駆動電極と上記センサー電極とは離間して配置されることが望ましい。それにより、駆動電極層と上記センサー電極層との間の電気的絶縁を確保し、駆動電極層からセンサー電極層へのクロストーク(ノイズ)を減少する。   It is desirable that the first drive electrode, the second drive electrode, and the sensor electrode be spaced apart. Thereby, electrical insulation between the drive electrode layer and the sensor electrode layer is ensured, and crosstalk (noise) from the drive electrode layer to the sensor electrode layer is reduced.

上記センサー電極が上記第1の駆動電極及び第2の駆動電極のいずれかと対向するように配置されることが望ましい。それにより、センサー電極層から不平衡出力を得ることができる。   It is desirable that the sensor electrode is disposed so as to face either the first drive electrode or the second drive electrode. Thereby, an unbalanced output can be obtained from the sensor electrode layer.

上記センサー電極が上記アクチュエーター材料を介して対向するように配置された第1のセンサー電極及び第2のセンサー電極を含むことが望ましい。それにより、センサー電極層から平衡出力を得ることができる。   It is desirable that the sensor electrode includes a first sensor electrode and a second sensor electrode arranged so as to face each other with the actuator material interposed therebetween. Thereby, a balanced output can be obtained from the sensor electrode layer.

上記センサー電極は上記アクチュエーター材料の上の一方向に複数並べられた電極によって該一方向における上記アクチュエーター材料の湾曲に対応した電圧を検出することが望ましい。それにより、複数領域の電圧出力によってアクチュエーターの湾曲度を検出することが可能となる。   The sensor electrode preferably detects a voltage corresponding to the curvature of the actuator material in the one direction by a plurality of electrodes arranged in one direction on the actuator material. Thereby, it becomes possible to detect the degree of curvature of the actuator by the voltage output of a plurality of regions.

上記センサー電極は上記第1の駆動電極または上記第2の駆動電極の領域内に配置されることが望ましい。それにより、電解質膜端部にまで駆動電極層を配置してアクチュエーター端部まで力を発生することができる。   The sensor electrode is preferably disposed in the region of the first drive electrode or the second drive electrode. Thereby, a drive electrode layer can be arrange | positioned to an electrolyte membrane edge part, and force can be generated to an actuator edge part.

上記発明の課題を解決する本発明のアクチュエーターの形態の一つは、内部に移動可能なイオンを含む電解質膜と、上記電解質膜の両面にそれぞれ形成されて外部電圧により該電解質膜に電位差を与える第1及び第2の駆動電極層と、上記電解質膜の少なくとも一面に形成されて該電解質膜の表面に発生する電圧を検出するセンサー電極層と、を備える。   One of the embodiments of the actuator of the present invention that solves the above-described problems is an electrolyte membrane containing ions that can move inside, and a potential difference applied to the electrolyte membrane by an external voltage formed on both surfaces of the electrolyte membrane. First and second drive electrode layers, and a sensor electrode layer that is formed on at least one surface of the electrolyte membrane and detects a voltage generated on the surface of the electrolyte membrane.

上記センサー電極に代えて、作用する力に対応する電気信号を発生する圧電素子を上記電解質膜の湾曲部分に設けても良い。   Instead of the sensor electrode, a piezoelectric element that generates an electrical signal corresponding to the acting force may be provided in the curved portion of the electrolyte membrane.

上述した構成は適宜に組み合わせることができる。   The above-described configurations can be appropriately combined.

本願のアクチュエーターは、アクチュエーター(電解質膜)にセンサー電極を追加することでアクチュエーター自体をセンサーとして利用するためアクチュエーターの構造体全体を小型化することができる。また、センサー追加による重量増加もほとんどない。   Since the actuator of the present application uses the actuator itself as a sensor by adding a sensor electrode to the actuator (electrolyte membrane), the entire structure of the actuator can be miniaturized. Also, there is almost no increase in weight due to the addition of sensors.

本発明のアクチュエーターの例を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the example of the actuator of this invention. 図1に示されたセンサー電極の例(不平衡出力形)を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the example (unbalanced output type) of the sensor electrode shown by FIG. センサー電極の他の例(平衡出力形)を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the other example (balanced output type) of a sensor electrode. アクチュエーターの動作例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the operation example of an actuator. アクチュエーターの駆動制御系を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the drive control system of an actuator. 他のアクチュエーターの構成例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the structural example of another actuator. 他のアクチュエーターの構成例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the structural example of another actuator. 他のアクチュエーターの構成例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the structural example of another actuator. 他のアクチュエーターの構成例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the structural example of another actuator.

本発明のアクチュエーターは電界が与えられて変形する電解質アクチュエーター材料、高分子アクチュエーター材料、圧電アクチュエーター材料、電歪アクチュエーター材料等を用いたアクチュエーターに適用可能である。本発明のアクチュエーターの実施の形態では、電界が与えられて変形する電解質膜をアクチュエーター材料の一例として使用するが、これに限定されるものではない。同じ技術が電界を与えると変形する他のアクチュエーター材料に適用可能である。
実施例では電界が印加されると変形するアクチュエーター材料として、例えば、イオン導電性の高分子電解質膜を使用する。電圧の印加によって電解質膜が変形する理由は正確に解明されているわけではないが、概略、次のように説明することができる。
The actuator of the present invention can be applied to an actuator using an electrolyte actuator material, a polymer actuator material, a piezoelectric actuator material, an electrostrictive actuator material, or the like that is deformed by application of an electric field. In the embodiment of the actuator of the present invention, an electrolyte membrane that is deformed by application of an electric field is used as an example of an actuator material, but the present invention is not limited to this. The same technique is applicable to other actuator materials that deform when an electric field is applied.
In the embodiment, for example, an ion conductive polymer electrolyte membrane is used as an actuator material that deforms when an electric field is applied. The reason why the electrolyte membrane is deformed by the application of a voltage is not exactly elucidated, but can be roughly explained as follows.

電解質膜の表裏にそれぞれ電極を形成し、表裏の電極に直流電源によって電位差を生ぜしめると、印加電界によって電解質膜中のイオンがその極性に対応する電極側に移動する。このイオンに伴って水分子(溶媒)も移動するので電解質膜の正電極側と負電極側とでは、電解質膜中の水分(溶媒)量に差が生じる。電解質膜中の水分量が増えた側では電解質膜が膨らみ、水分量が減った側では電解質膜が収縮する。その結果、電解質膜が湾曲する。   When electrodes are formed on the front and back surfaces of the electrolyte membrane and a potential difference is generated between the front and back electrodes by a DC power source, ions in the electrolyte membrane are moved to the electrode side corresponding to the polarity by the applied electric field. Since water molecules (solvent) also move with the ions, there is a difference in the amount of water (solvent) in the electrolyte membrane between the positive electrode side and the negative electrode side of the electrolyte membrane. The electrolyte membrane swells on the side where the amount of water in the electrolyte membrane increases, and the electrolyte membrane contracts on the side where the amount of water decreases. As a result, the electrolyte membrane is curved.

電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜(商品名「ナフィオン」、デュポン(株)登録商標)、パーフルオロカルボン酸膜(商品名「フレミオン」、旭化成(株)登録商標)等、イオン液をゲル化したもの等を使用することが可能である。
電解質膜は、電圧を印加すると曲がり、印加しないと元に戻る特徴を持っている。
電解質膜の材質は、例えば、ゴムのような感触であり、電圧を印加していないときはやわらかい。
Examples of the electrolyte membrane include perfluorosulfonic acid membrane (trade name “Nafion”, registered trademark of DuPont), perfluorocarboxylic acid membrane (trade name “Flemion”, registered trademark of Asahi Kasei Corporation), etc. It is possible to use a gelled material.
The electrolyte membrane has a characteristic that it bends when voltage is applied and returns to its original state when voltage is not applied.
The material of the electrolyte membrane is, for example, a rubber-like feel and is soft when no voltage is applied.

本願では、この電解質膜に外部から力(外的応力)を加えると電解質膜に電圧が発生することに着目している。これは、電解質膜を湾曲すると、電解質膜中に水分の偏りが発生し、これに伴って電解質膜の伸張側と伸縮側との間でイオン密度に差異が生じることによると考えられる。   In the present application, attention is paid to the fact that a voltage is generated in the electrolyte membrane when an external force (external stress) is applied to the electrolyte membrane. This is presumably because when the electrolyte membrane is bent, moisture is biased in the electrolyte membrane, and this causes a difference in ion density between the stretched side and the stretched side of the electrolyte membrane.

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図1及び図2は本願のアクチュエーターの構成例を示しており、図1はアクチュエーター全体を示す斜視図、図2は図1に示すアクチュエーターの横方向における断面図である。各図に示すように、アクチュエーター1は、電解質膜10の一方の面に形成された第1の駆動電極層としての駆動電極11及びセンサー電極13と、他方の面全体に形成された第2の駆動電極層としての駆動電極12とを備えている。駆動電極11とセンサー電極13とは、電気的絶縁のために所定距離、例えば、0.5〜1.0mm程度離間している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 and FIG. 2 show a configuration example of the actuator of the present application, FIG. 1 is a perspective view showing the entire actuator, and FIG. 2 is a cross-sectional view in the lateral direction of the actuator shown in FIG. As shown in each figure, the actuator 1 includes a drive electrode 11 and a sensor electrode 13 as a first drive electrode layer formed on one surface of the electrolyte membrane 10, and a second electrode formed on the other surface. And a drive electrode 12 as a drive electrode layer. The drive electrode 11 and the sensor electrode 13 are separated by a predetermined distance, for example, about 0.5 to 1.0 mm for electrical insulation.

電解質膜10は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜を使用することができるが、これに限定されるものではない。イオン交換膜としては、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜のいずれも使用可能である。例えば、陽イオン交換膜としては、パーフルオロスルホン酸膜、パーフルオロカルボン酸膜を挙げることができる。   For example, the electrolyte membrane 10 may be a fluororesin ion exchange membrane, but is not limited thereto. As the ion exchange membrane, either a cation exchange membrane or an anion exchange membrane can be used. For example, examples of the cation exchange membrane include a perfluorosulfonic acid membrane and a perfluorocarboxylic acid membrane.

駆動電極11及び12,センサー電極13は、金、白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム、カーボンナノチューブなどを使用することが出来るが、これ等に限定されるものではない。電極の電解質膜への接合には化学メッキ、電気メッキ、真空蒸着、スパッタリング、塗布、圧着、溶着などが適宜に使用される。   The drive electrodes 11 and 12 and the sensor electrode 13 may be made of gold, platinum, iridium, palladium, ruthenium, carbon nanotube, or the like, but are not limited thereto. Chemical plating, electroplating, vacuum deposition, sputtering, coating, pressure bonding, welding, and the like are appropriately used for bonding the electrode to the electrolyte membrane.

例えば、実施例では、電解質膜10としてパーフルオロスルホン酸膜(商品名「ナフィオン」、デュポン社登録商標)が使用され、その形状は、短辺が2cm、長辺が5cm、厚さが200μm〜1mm程度の長方形に形成されている。上述したセンサー電極13の形状は、例えば、(電解質膜10の)短辺方向における長さ(幅)は2mm、長辺方向における長さは5cmである。もっともこの形状に限定されるものではなく、電解質膜10あるいはアクチュエーターの形状は自由に選定することができる。   For example, in the embodiment, a perfluorosulfonic acid membrane (trade name “Nafion”, a registered trademark of DuPont) is used as the electrolyte membrane 10, and the shape thereof is 2 cm for the short side, 5 cm for the long side, and 200 μm to the thickness. It is formed in a rectangle of about 1 mm. Regarding the shape of the sensor electrode 13 described above, for example, the length (width) in the short side direction (of the electrolyte membrane 10) is 2 mm, and the length in the long side direction is 5 cm. However, it is not limited to this shape, and the shape of the electrolyte membrane 10 or the actuator can be freely selected.

実施例では、駆動電極11、12,センサー電極13は電解質膜10に金メッキを施すことによって形成された。電解質膜10への金メッキは、塩化ジクロロフェナントロリン金(III)[Au(phen)Cl2]Cl水溶液に浸潤し,イオン交換反応で金錯イオンを吸着させる。吸着させた膜を亜硫酸ナトリウム(Na2SO3)水溶液に浸漬して、還元して膜の内部に取り込まれた金イオンを外側に析出する。これによって膜の両面に金めっきを施すことが可能となる。メッキされる金の量は、一回のメッキ工程でメッキできる金の量は片面1〜2mg/cm2である。これを繰り返して所要の電極膜厚とする。例えば、4回〜8回程度メッキを繰り返すと、片面10mg/cm2程度の金が析出する。この場合、金層(電極層)の膜厚はおおよそ1〜5μm程度である。 In the embodiment, the drive electrodes 11 and 12 and the sensor electrode 13 are formed by applying gold plating to the electrolyte membrane 10. Gold plating on the electrolyte membrane 10 infiltrates a dichlorophenanthroline gold (III) [Au (phen) Cl 2 ] Cl aqueous solution and adsorbs gold complex ions by an ion exchange reaction. The adsorbed film is immersed in an aqueous solution of sodium sulfite (Na 2 SO 3 ), and gold ions taken into the film after reduction are deposited outside. This makes it possible to apply gold plating to both sides of the film. As for the amount of gold to be plated, the amount of gold that can be plated in one plating step is 1-2 mg / cm 2 on one side. This is repeated to obtain the required electrode film thickness. For example, when plating is repeated about 4 to 8 times, gold of about 10 mg / cm 2 on one side is deposited. In this case, the film thickness of the gold layer (electrode layer) is approximately 1 to 5 μm.

このようにして電解質膜の片面に形成された金電極層をレーザーによって、電気的絶縁に必要な0.5〜1mmの幅で直線状にカットすることにより、駆動電極と11とセンサー電極13が分離される。センサー電極13は電解質膜10の長手方向に延在し、アクチュエーターの湾曲動作によって湾曲面に発生する電極層12と13間の電位差(電圧)を検出する。なお、センサー電極13は電解質膜10の表面及び裏面のいずれに形成しても良い。   The gold electrode layer thus formed on one surface of the electrolyte membrane is cut with a laser in a straight line with a width of 0.5 to 1 mm necessary for electrical insulation, so that the drive electrode 11 and the sensor electrode 13 are formed. To be separated. The sensor electrode 13 extends in the longitudinal direction of the electrolyte membrane 10 and detects a potential difference (voltage) between the electrode layers 12 and 13 generated on the curved surface by the bending operation of the actuator. The sensor electrode 13 may be formed on either the front surface or the back surface of the electrolyte membrane 10.

図3は、アクチュエーターの他の構成例を説明する断面図である。同図において、図2と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。   FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of the actuator. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

この実施例では、センサー電極が一組の電極層13及び14によって構成されている。電極層13及び14は金メッキで形成され、電解質膜10を挟持構成とする構成となっている。図2の構成のセンサー電極13の検出出力は不平衡出力であるが、この実施例の構成によれば、センサー電極13及び14には平衡出力の検出出力が得られる。   In this embodiment, the sensor electrode is constituted by a pair of electrode layers 13 and 14. The electrode layers 13 and 14 are formed by gold plating, and are configured to sandwich the electrolyte membrane 10. Although the detection output of the sensor electrode 13 having the configuration of FIG. 2 is an unbalanced output, according to the configuration of this embodiment, the detection output of the balanced output can be obtained at the sensor electrodes 13 and 14.

図4は、アクチュエーター1の動作例を説明する説明図である。同図において、図1対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。   FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an operation example of the actuator 1. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

同図に示すように、アクチュエーター1の駆動電極層11及び12に直流電源からそれぞれ負電圧及び正電圧が印加されると、電解質膜10中の陰イオンは駆動電極層12側に移動する。それに伴って、駆動電極層11側の水分が相対的に減少し、駆動電極12側の水分が相対的に増大し、図4に示すように、アクチュエーター1は左側に湾曲して曲がる。同様に、駆動電極層11及び12に直流電源からそれぞれ正電圧及び負電圧が印加されると、電解質膜10中の陰イオンは駆動電極層11側に移動する。駆動電極層12側の水分が相対的に減少し、駆動電極11側の水分が相対的に増大し、図4に示すように、アクチュエーター1は右側に湾曲して曲がる。   As shown in the figure, when a negative voltage and a positive voltage are applied to the drive electrode layers 11 and 12 of the actuator 1 from a DC power source, the anions in the electrolyte membrane 10 move to the drive electrode layer 12 side. Accordingly, the moisture on the drive electrode layer 11 side relatively decreases, the moisture on the drive electrode 12 side relatively increases, and as shown in FIG. 4, the actuator 1 is bent and bent to the left. Similarly, when a positive voltage and a negative voltage are respectively applied to the drive electrode layers 11 and 12 from the DC power supply, the anions in the electrolyte membrane 10 move to the drive electrode layer 11 side. The moisture on the drive electrode layer 12 side is relatively decreased and the moisture on the drive electrode 11 side is relatively increased. As shown in FIG. 4, the actuator 1 is bent and bent to the right.

図5は、上述したアクチュエーター1を駆動する制御系30を説明するブロック図である。同図に示されるように、センサー電極13の検出電圧が増幅器31によってレベル増幅されて比較器(差動増幅器)32の逆相入力に入力される。比較器32には現時点のアクチュエーター1の位置に対応した電圧が供給される。比較器32の正相入力にはアクチュエーター1の動作量の目標値が電圧値として入力されている。比較器32はセンサー電極の電圧と目標値との偏差を出力する。駆動回路33はこの偏差出力の極性(正又は負)に応じてアクチュエーター1の動き方向を決定し、出力電圧の極性を決定する。また、偏差出力の絶対値に応じてどの程度アクチュエーター1を湾曲させるかを決定して出力電圧のレベルを設定する。   FIG. 5 is a block diagram illustrating the control system 30 that drives the actuator 1 described above. As shown in the figure, the detection voltage of the sensor electrode 13 is level-amplified by an amplifier 31 and input to a negative phase input of a comparator (differential amplifier) 32. The comparator 32 is supplied with a voltage corresponding to the current position of the actuator 1. The target value of the operation amount of the actuator 1 is input as a voltage value to the positive phase input of the comparator 32. The comparator 32 outputs the deviation between the sensor electrode voltage and the target value. The drive circuit 33 determines the direction of movement of the actuator 1 according to the polarity (positive or negative) of the deviation output, and determines the polarity of the output voltage. Further, the level of the output voltage is set by determining how much the actuator 1 is bent in accordance with the absolute value of the deviation output.

駆動回路33の出力電圧はアクチュエーター1の駆動電極11及び12に供給される。アクチュエーター1は、駆動回路33の出力電圧の極性に対応した方向に湾曲し(曲がり)、出力電圧のレベルに対応した湾曲量(曲がり量)となる。アクチュエーター1が湾曲しているとき、外部からアクチュエーター1に応力を受けるとセンサー電極13の電圧が変化するため、その変化した値が比較器32に33にフィードバックされ、目標値との差分を偏差として出力し補正を行う。このフィードバツク制御ループによってアクチュエーター1は設定された目標値に対応する位置に移動し安定する。   The output voltage of the drive circuit 33 is supplied to the drive electrodes 11 and 12 of the actuator 1. The actuator 1 bends (bends) in a direction corresponding to the polarity of the output voltage of the drive circuit 33, and has a bend amount (bend amount) corresponding to the level of the output voltage. When the actuator 1 is curved, if the actuator 1 receives stress from the outside, the voltage of the sensor electrode 13 changes. Therefore, the changed value is fed back to the comparator 32 and the difference from the target value is used as a deviation. Output and correct. By this feedback control loop, the actuator 1 moves to a position corresponding to the set target value and is stabilized.

図6及び図9は、アクチュエーター1の他の構成例を示している。各図において図1と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明を省略する。
これ等の例では複数の方向における湾曲(曲がり)あるいは変形を検出するようにセンサーが配置されている。
6 and 9 show another configuration example of the actuator 1. In each figure, the same reference numerals are given to portions corresponding to those in FIG.
In these examples, sensors are arranged so as to detect bending (bending) or deformation in a plurality of directions.

図6のアクチュエーター1においては、2つのアクチュエーターが図の縦方向に配置され、縦方向の中央部において駆動電極11及び12に給電が行われる。そして、アクチュエーター1は駆動信号を受けるとU字状、逆U字状に湾曲する。センサー電極13は駆動電極11に沿って電解質膜10の延在方向に延在するように配置されている。   In the actuator 1 of FIG. 6, two actuators are arranged in the vertical direction in the figure, and power is supplied to the drive electrodes 11 and 12 in the central portion in the vertical direction. When the actuator 1 receives the drive signal, the actuator 1 bends in a U shape and an inverted U shape. The sensor electrode 13 is disposed so as to extend along the drive electrode 11 in the extending direction of the electrolyte membrane 10.

図7のアクチュエーター1においては、4つのアクチュエーターが図の縦(Y)方向及び横(X)方向に配置されている。センサー電極もX方向及びY方向に配置されており、湾曲する面に沿って配置されている。中央部には既述制御回路30等との接続を行う外部接続端子が設けられている。このアクチュエーターにおいては、十字形のアクチュエーターが開いたり、閉じたり、反り返ったりしてロボット(あるいは人間)の手のひらのように動作する。また、4つのアクチュエーターを個別に動作させることができる。   In the actuator 1 of FIG. 7, four actuators are arranged in the vertical (Y) direction and the horizontal (X) direction in the figure. The sensor electrodes are also arranged in the X direction and the Y direction, and are arranged along a curved surface. An external connection terminal for connecting to the control circuit 30 or the like is provided at the center. In this actuator, the cruciform actuator opens, closes, and warps to act like the palm of a robot (or human). Also, the four actuators can be operated individually.

なお、特に図示しないが、アクチュエーター1をX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向(三次元的)に配置し、これに対応してセンサー電極13をX方向、Y方向及びZ方向にそれぞれ配置しても良い。それにより、三次元に動作するアクチュエーターを制御することができる。また、X方向、Y方向及びZ方向の各方向に対して斜めの方向にセンサー電極13を配置しても良い。センサーの延在方向におけるアクチュエーターの湾曲度に応じた電圧を検出することができる。   Although not specifically shown, the actuator 1 is arranged in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction (three-dimensional), and the sensor electrodes 13 are arranged in the X-direction, Y-direction, and Z-direction, respectively. You may do it. Thereby, the actuator which operates in three dimensions can be controlled. Further, the sensor electrode 13 may be arranged in an oblique direction with respect to the X direction, the Y direction, and the Z direction. A voltage corresponding to the degree of curvature of the actuator in the extending direction of the sensor can be detected.

上記実施例では、センサー電極は一方向に延在し、この方向におけるアクチュエーターの湾曲(曲がり)に対応した一つの出力を発生するが、これに限定されない。
例えば、図8に示すように駆動電極11の延在方向に沿って四角形等の形状のセンサー電極13を複数配置し、センサー電極13の各出力に基づいてアクチュエーターの湾曲(曲がり)形状を判別するようにしても良い。この場合にも、図2あるいは図3に示すような、不平衡出力、平衡出力のセンサー電極構成とすることができる。また、図6あるいは図7のようなアクチュエーターを複数組み合わせた構造とすることができる。
In the above embodiment, the sensor electrode extends in one direction, and generates one output corresponding to the bending (bending) of the actuator in this direction, but is not limited thereto.
For example, as shown in FIG. 8, a plurality of sensor electrodes 13 having a square shape or the like are arranged along the extending direction of the drive electrode 11, and the curved (bent) shape of the actuator is determined based on each output of the sensor electrode 13. You may do it. Also in this case, a sensor electrode configuration of unbalanced output and balanced output as shown in FIG. 2 or FIG. 3 can be obtained. Moreover, it can be set as the structure which combined multiple actuators like FIG. 6 or FIG.

図9は、更にアクチュエーターの他の実施例を示している。この例においては、駆動電極11の領域中(の略中央の領域)に一方向に延在するセンサー電極13が配置されている。このような構成とすれば、アクチュエーターの外周にセンサー電極を配置せずに済むので当該部分の駆動力低下を回避すること可能となって具合がよい。この場合にも、図2あるいは図3に示すような、不平衡出力、平衡出力のセンサー電極構成とすることができる。また、図6あるいは図7のようなアクチュエーターを複数組み合わせた構造とすることができる。   FIG. 9 shows still another embodiment of the actuator. In this example, the sensor electrode 13 extending in one direction is disposed in the region of the drive electrode 11 (substantially central region thereof). With such a configuration, it is not necessary to arrange the sensor electrode on the outer periphery of the actuator, so that it is possible to avoid a decrease in driving force of the portion. Also in this case, a sensor electrode configuration of unbalanced output and balanced output as shown in FIG. 2 or FIG. 3 can be obtained. Moreover, it can be set as the structure which combined multiple actuators like FIG. 6 or FIG.

以上説明したように、本発明の実施例によれば高分子アクチュエーターにセンサー電極が設けられているので、この出力によって各アクチュエーターの動きあるいはその姿勢を検出することができる。このセンサー電極は駆動電極と同時に形成されるため、製造が容易であり、アクチュエーター内に収まるので小型である。センサーのコストも安くて済む。このセンサー電極が形成されたアクチュエーターを使用することによってロボットアームなどのアクチュエーター構造体を小型に構成し得る。   As described above, according to the embodiment of the present invention, since the sensor electrode is provided on the polymer actuator, it is possible to detect the movement of each actuator or its posture by this output. Since the sensor electrode is formed at the same time as the drive electrode, it is easy to manufacture and is small because it fits in the actuator. The cost of the sensor is low. By using the actuator in which the sensor electrode is formed, an actuator structure such as a robot arm can be made compact.

なお、印加圧力に応じた電圧を発生するPZT等の圧電素子や歪みゲージなどの抵抗値変化素子をセンサー電極の代わりに電解質膜上に使用しても同様の効果を期待可能である。   A similar effect can be expected even when a piezoelectric element such as PZT that generates a voltage corresponding to the applied pressure or a resistance value changing element such as a strain gauge is used on the electrolyte membrane instead of the sensor electrode.

また、センサー(電極など)の出力から、アクチュエーターの振動数なども検出することができ、高分子アクチュエーターによる羽ばたきのような繰り返し周波数や周期を制御することも可能である。
また本発明は、本発明の主旨を逸脱しない範囲で広く適用が可能であり、電解質アクチュエーター材料、高分子アクチュエーター材料以外にも、圧電アクチュエーター材料、電歪アクチュエーター材料等を用いたアクチュエーターに適用可能である。
Further, the frequency of the actuator can be detected from the output of the sensor (electrode or the like), and the repetition frequency and cycle such as flapping by the polymer actuator can be controlled.
The present invention can be widely applied without departing from the gist of the present invention, and can be applied to an actuator using a piezoelectric actuator material, an electrostrictive actuator material, etc. in addition to an electrolyte actuator material and a polymer actuator material. is there.

1 アクチュエーター、10 電解質膜、11,12 駆動電極、13 センサー電極、30 駆動制御系、31 増幅器、32 比較器、33 駆動回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Actuator, 10 Electrolyte membrane, 11, 12 Drive electrode, 13 Sensor electrode, 30 Drive control system, 31 Amplifier, 32 Comparator, 33 Drive circuit

Claims (10)

電界が与えられることにより変形するアクチュエーター材料と、
前記アクチュエーター材料に前記電界を与えるための第1の駆動電極、及び第2の駆動電極と、
前記アクチュエーター材料の変形の方向及び程度のうちの少なくとも1つを検出するためのセンサー電極と、
を備えるアクチュエーター。
An actuator material that deforms when an electric field is applied;
A first drive electrode and a second drive electrode for applying the electric field to the actuator material;
A sensor electrode for detecting at least one of the direction and degree of deformation of the actuator material;
Actuator with.
前記アクチュエーター材料を含む層の第1面に前記第1の駆動電極及び前記センサー電極とが配置され、
前記アクチュエーター材料を含む層の前記第1面に対向する第2面に前記第2の駆動電極が配置される、請求項1に記載のアクチュエーター。
The first drive electrode and the sensor electrode are disposed on a first surface of the layer containing the actuator material;
2. The actuator according to claim 1, wherein the second drive electrode is disposed on a second surface of the layer containing the actuator material opposite to the first surface.
前記センサー電極は電圧を検出する、請求項1または2に記載のアクチュエーター。   The actuator according to claim 1, wherein the sensor electrode detects a voltage. 前記アクチュエーター材料は前記電界が与えられることにより移動可能なイオンを含む電解質である、請求項1乃至3のいずれかに記載のアクチュエーター。   4. The actuator according to claim 1, wherein the actuator material is an electrolyte containing ions that can move when the electric field is applied. 5. 前記センサー電極は前記アクチュエーター材料の上の一方向に延在して配置され、前記一方向における前記アクチュエーター材料の湾曲に対応した電圧を検出する、請求項1乃至4のいずれかに記載のアクチュエーター。   The actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the sensor electrode is arranged to extend in one direction on the actuator material, and detects a voltage corresponding to the curvature of the actuator material in the one direction. 前記第1の駆動電極及び第2の駆動電極と前記センサー電極とは離間して配置される、請求項1乃至5のいずれかに記載のアクチュエーター。   The actuator according to any one of claims 1 to 5, wherein the first drive electrode, the second drive electrode, and the sensor electrode are spaced apart from each other. 前記センサー電極が前記第1の駆動電極及び第2の駆動電極のいずれかと対向するように配置された、請求項1乃至6のいずれかに記載のアクチュエーター。   The actuator according to any one of claims 1 to 6, wherein the sensor electrode is disposed so as to face either the first drive electrode or the second drive electrode. 前記センサー電極が前記アクチュエーター材料を介して対向するように配置された第1のセンサー電極及び第2のセンサー電極を含む、請求項1乃至7のいずれかに記載のアクチュエーター。   The actuator according to any one of claims 1 to 7, comprising a first sensor electrode and a second sensor electrode arranged so that the sensor electrodes face each other with the actuator material interposed therebetween. 前記センサー電極は前記アクチュエーター材料の上の一方向に複数並べられた電極によって該一方向における前記アクチュエーター材料の湾曲に対応した電圧を検出する、請求項1乃至4のいずれかに記載のアクチュエーター。   The actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the sensor electrode detects a voltage corresponding to the curvature of the actuator material in one direction by a plurality of electrodes arranged in one direction on the actuator material. 前記センサー電極は前記第1の駆動電極または前記第2の駆動電極の領域内に配置される請求項1に記載のアクチュエーター。   The actuator according to claim 1, wherein the sensor electrode is disposed in a region of the first drive electrode or the second drive electrode.
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