JP2013078239A - アクチュエータ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ユニモルフ構造を有するアクチュエータ素子であっても、アクチュエータ素子に変位を生じさせるエネルギーを効率良く直線運動に変換することができるアクチュエータ素子を提供する。
【解決手段】電歪材料で形成された矩形状の電歪フィルム２１の両面に導体パターン２３、２４を設けてあり、一の導体パターン２４側を基材３０に接着してある。電歪フィルム２１、基材３０の対向する二辺の両端部を、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてある。折り曲げた角部の一部に両端を残してスリットを形成し、折り曲げた部分のうちスリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させても良い。
【選択図】図５

Description

本発明は、電歪材料で形成されたフィルムの両面に電極として導電層を設けてあり、一の導電層側が基材に接着されているユニモルフ構造を有するアクチュエータ素子に関する。

医療機器、産業用ロボット等は、精緻な動きを要求される機会が多い。したがって、小型、軽量であり、しかも柔軟性に富むアクチュエータ素子の開発が急務となっている。例えばイオン導電性高分子を用いた高分子アクチュエータ素子は、イオン導電性高分子膜と、イオン導電性高分子膜の両面に相互に絶縁状態で接合した金属電極とで構成されており、金属電極間に電圧を印加することによりイオン導電性高分子膜に湾曲等の変形を生じさせている。

また、上述したアクチュエータ素子を組み合わせることにより、湾曲等の変形を直線運動、回転運動等として取り出す動作機構も提案されている。例えば特許文献１には、絶縁層部の両面に導電層部を設けてあり、一の導電層部を支持層部に接合してあるユニモルフ構造を有するポリマーアクチュエータが開示されている。図１は、従来のユニモルフ構造を有するアクチュエータの構成を示す模式図である。

図１において、従来のアクチュエータ１０は、絶縁層部１６の両面に導電層部１７、１８を設けてあるポリマー層１１と、ポリマー層１１の一面に接合された支持層部１９とを備えている。端部１３、１４間は、スプリング１２により端部１３、１４が互いに近づく方向へ付勢している。導電層部１７、１８は電源１５と接続してあり、通電することができる。

したがって、導電層部１７，１８が通電することによりアクチュエータ１０に反りが生じた場合、端部１３、１４間の距離が変化する。つまり、アクチュエータ１０の反りは、端部１３、１４間の距離の変化という直線運動として取り出すことができる。

特開２００９−０５００４６号公報

しかし、特許文献１に開示してあるアクチュエータ１０では、アクチュエータ１０に反りを生じさせるエネルギーのほとんどがスプリング１２の伸縮に使われ、効率良く直線運動に変換することが困難であるという問題点があった。しかし、例えばスプリング１２を外し、端部１３又は端部１４のいずれかを固定した場合、アクチュエータ１０の反りを端部１３、１４間の距離の変化という直線運動として取り出すことができない。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ユニモルフ構造を有するアクチュエータ素子であっても、アクチュエータ素子に変位を生じさせるエネルギーを効率良く直線運動に変換することができるアクチュエータ素子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素子は、電歪材料で形成された矩形状のフィルムの両面に導電層を設けてあり、一の導電層側を矩形状の基材に接着してあるアクチュエータ素子であって、前記基材の対向する二辺の両端部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあることを特徴とする。

第１発明では、電歪材料で形成された矩形状のフィルムが接着してある基材の対向する二辺の両端部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてある。これにより、矩形状の基材が湾曲した場合に、基材の対向する二辺の両端部に屈曲部が存在するので、基材の対向する二辺の両端部では湾曲を抑制することができる。したがって、基材の対向する二辺の一端側を固定することにより、アクチュエータ素子に変位を生じさせるエネルギーを、他端の直線運動へと変換することが可能となる。

次に、上記目的を達成するために第２発明に係るアクチュエータ素子は、電歪材料で形成された矩形状のフィルムの両面に導電層を設けてあり、一の導電層側を矩形状の基材に接着してあるアクチュエータ素子であって、前記基材が湾曲する面の側部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあり、折り曲げた角部の一部に両端を残してスリットを形成してあり、折り曲げた部分のうち前記スリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させてあることを特徴とする。

第２発明では、電歪材料で形成された矩形状のフィルムが接着してある基材が湾曲する面の側部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてある。折り曲げた角部の一部に両端を残してスリットを形成してあり、折り曲げた部分のうちスリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させてある。基材が湾曲した場合に、側部を折り曲げた部分のうちスリットが形成してある部分が湾曲していることにより、基材の湾曲以外の変形をより抑制することができる。したがって、基材の対向する二辺の一端側を固定することにより、アクチュエータ素子に変位を生じさせるエネルギーを、他端の直線運動へと変換することが可能となる。

また、第３発明に係るアクチュエータ素子は、第１又は第２発明において、前記フィルムと接続してある外部電極を、矩形状の前記フィルムの一辺側に設けてあることを特徴とする。

第３発明では、フィルムと接続してある外部電極を、矩形状のフィルムの一辺側に設けてあるので、フィルムの対向する二辺の一端側を固定することにより他端の直線運動を妨げることがない。

上記構成により、矩形状の基材が湾曲した場合に、基材の対向する二辺の両端部に屈曲部が存在するので、基材の対向する二辺の両端部では湾曲を抑制することができる。したがって、基材の対向する二辺の一端側を固定することにより、アクチュエータ素子に変位を生じさせるエネルギーを、他端の直線運動へと変換することが可能となる。

従来のユニモルフ構造を有するアクチュエータの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係るアクチュエータ素子の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係るアクチュエータ素子の製造工程を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係るアクチュエータ素子の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係るアクチュエータ素子の構成を模式的に示す平面図及び側面図である。 本発明の実施の形態２に係るアクチュエータ素子の製造工程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ついて、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係るアクチュエータ素子の構成を示す模式図である。図２（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るアクチュエータ素子の構成を模式的に示す斜視図であり、図２（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係るアクチュエータ素子の構成を模式的に示す側面図である。実施の形態１に係るアクチュエータ素子２０は、高分子電歪材料で形成された電歪フィルム２１、基材３０を準備し、電歪フィルム（フィルム）２１の表裏両面には、それぞれ内部電極として導体パターン（導電層）２３、２４を設けてあり、導体パターン２４側を基材３０に接着してある。また、導体パターン２３、２４を延伸させて、引き出し電極（外部電極）２５、２６が形成されている。

電歪フィルム２１を形成する高分子電歪材料としては、強誘電性を有し、永久双極子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）系の共重合体、コーポリマであるＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ）、あるいはＰＶＤＦ系のターポリマであるＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＤＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＡ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＶＣ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＶＦ）等が好ましい。なお、Ｐはポリを、ＶＤＦはビニリデンフルオロイドを、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、ＶＦはビニルフルオロイドを、それぞれ示している。

特に、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）がより好ましい。大きな変位を得ることができるからである。また、電歪フィルム２１の厚みは適宜設定することが可能であるが、例えば数μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。

また、基材３０を形成する材料は、後述する曲げ成形、湾曲形成等を行うことができる限り、特に限定されるものではない。例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、セロファン、塩化ビニル、ポリイミド、ポリエステル等である。また、上述した電歪材料から選定しても良い。さらに、基材３０の厚みは、適宜設定することが可能である。例えば数μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。

具体的には、電歪フィルム２１を、数μｍから１００μｍ程度のフィルム状に成形し、電歪フィルム２１の表裏両面に、マスク越しに導電性インクを噴霧することにより、導体パターン２３、２４を形成する。導電性インクの粘度にもよるが、インクジェット方式、はけ塗り、スクリーン印刷方式等、適宜形成方法を変更しても良い。

導電性インクとしては、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）、ＰＰｙ（ポリピロール）、ＰＡＮI（ポリアニリン）等の有機導電性材料を用い、有機バインダーとともに、溶剤に溶解させて使用する。有機バインダーとしては、例えばゼラチン系バインダー、アクリル系バインダー、ポリビニルアルコール系バインダー等を用いることができる。溶剤は、メタノール、エタノール等の有機導電性材料のような、有機バインダーを溶解することが可能な溶剤から選択すればよい。

また、導体パターン２３、２４を延伸させ、引き出し電極２５、２６を形成し、引き出し電極２５、２６を電源２８と接続してある。引き出し電極２５、２６は、電歪フィルム２１を基材３０に積層した場合に、重なり合わない位置であって、電歪フィルム２１、基材３０の同一辺側に形成してある。このようにすることで、異なる極性を有する引き出し電極２５、２６が互いに接触することがない。

積層した電歪フィルム２１、基材３０は、対向する二辺の両端部を、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に、およそ９０度折り曲げて屈曲部２７を形成している。電歪フィルム２１、基材３０が湾曲した場合に、屈曲部２７の存在により、導体パターン２３、２４が存在する領域では湾曲が生じるものの、導体パターン２３、２４が存在しない領域では湾曲することを抑制することができる。したがって、アクチュエータ素子２０に変位を生じさせるエネルギーを、矢印方向の直線運動へと効率良く変換することが可能となる。

図３は、本発明の実施の形態１に係るアクチュエータ素子２０の製造工程を模式的に示す斜視図である。まず図３（ａ）に示すように、高分子電歪材料で形成された電歪フィルム（フィルム）２１、基材３０を準備し、電歪フィルム２１の表裏両面に、導体パターン２３、２４を形成して、引き出し電極２５、２６を同一辺側に引き出す。

そして、図３（ｂ）に示すように、電歪フィルム２１と基材３０とを積層して接着する。電歪フィルム２１と基材３０との接着には、熱硬化又はＵＶ硬化の接着剤を用いる。

次に図３（ｃ）に示すように、引き出し電極２５、２６を引き出した一辺と直交する二辺において、導体パターン２３、２４が形成されている範囲だけ、導体パターン２３、２４を残して、余分な電歪フィルム２１、基材３０を切除する。これにより、電歪フィルム２１、基材３０を平面視した形状はＨ型となる。

そして、図３（ｄ）に示すように、残っている二辺の両端部をおよそ９０度、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げて屈曲部２７を形成する。最後に、電歪フィルム２１、基材３０の形状をテープ等を用いて固定し、例えばオーブンで８５℃の雰囲気中に５分程度入れた後、大気中で冷却して成形する。

以上のように本実施の形態１によれば、電歪フィルム２１、基材３０の対向する二辺の両端部を、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあるので、矩形状の電歪フィルム２１、基材３０が湾曲した場合に、電歪フィルム２１、基材３０の対向する二辺の両端部に屈曲部２７が存在するので、電歪フィルム２１、基材３０の対向する二辺の両端部では湾曲を抑制することができる。したがって、電歪フィルム２１、基材３０の対向する二辺の一端側を固定することにより、アクチュエータ素子２０に変位を生じさせるエネルギーを、他端の直線運動へと効率良く変換することが可能となる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係るアクチュエータ素子２０の構成を示す模式図である。実施の形態２に係るアクチュエータ素子２０は、実施の形態１と同様、高分子電歪材料で形成された電歪フィルム２１、基材３０を準備し、電歪フィルム（フィルム）２１の表裏両面には、それぞれ内部電極として導体パターン（導電層）２３、２４を設けてあり、導体パターン２４側を基材３０に接着してある。また、導体パターン２３、２４を延伸させて、引き出し電極（外部電極）２５、２６が形成されている。

具体的には、電歪フィルム２１を、数μｍから１００μｍ程度のフィルム状に成形し、電歪フィルム２１の表裏両面に、マスク越しに導電性インクを噴霧することにより、導体パターン２３、２４を形成する。導電性インクの粘度にもよるが、インクジェット方式、はけ塗り、スクリーン印刷方式等、適宜形成方法を変更しても良い。

また、導体パターン２３、２４を延伸させ、引き出し電極２５、２６を形成し、引き出し電極２５、２６を電源２８と接続してある。引き出し電極２５、２６は、電歪フィルム２１を基材３０に積層した場合に、重なり合わない位置であって、同一辺側に形成してある。このようにすることで、異なる極性を有する引き出し電極２５、２６が互いに接触することがない。

また、積層した電歪フィルム２１、基材３０が湾曲する面の側部を、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に、およそ９０度折り曲げて屈曲部２７を形成している。折り曲げた角部の一部に両端を残してスリットを形成してあり、折り曲げた部分のうちスリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させてあり、梁として機能させている。

図５は、本発明の実施の形態２に係るアクチュエータ素子２０の構成を示す平面図及び側面図である。図５（ａ）は、本発明の実施の形態２に係るアクチュエータ素子２０の構成を示す平面図を、図５（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係るアクチュエータ素子２０の構成を示す側面図を、それぞれ示している。

図５（ｂ）に示すように、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲する面の側部を、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に、およそ９０度折り曲げた角部のうち、導体パターン２３、２４と重なっている範囲にスリットを形成している。折り曲げた部分のうちスリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させることで、梁部４１を形成している。電歪フィルム２１、基材３０が湾曲した場合に、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲した凸面の下部に梁部４１が存在するので、電歪フィルム２１、基材３０の湾曲以外の変形をより抑制することができる。したがって、引き出し電極２５、２６を引き出した一辺側を固定することにより、アクチュエータ素子２０に湾曲を生じさせるエネルギーを、図４に示す矢印方向の直線運動へと効率良く変換することが可能となる。

図６は、本発明の実施の形態２に係るアクチュエータ素子２０の製造工程を模式的に示す斜視図である。まず図６（ａ）に示すように、高分子電歪材料で形成された電歪フィルム（フィルム）２１、基材３０を準備し、電歪フィルム２１の表裏両面に、導体パターン２３、２４を形成して、引き出し電極２５、２６を同一辺側に引き出す。

そして、図６（ｂ）に示すように、電歪フィルム２１と基材３０とを積層して接着する。電歪フィルム２１と基材３０との接着には、熱硬化又はＵＶ硬化の接着剤を用いる。

次に図６（ｃ）に示すように、引き出し電極を引き出した一辺と直交する二辺に沿って、導体パターン２３、２４が形成されている範囲にだけ、スリット加工を行いスリット６１を形成する。そして図６（ｄ）に示すように、スリット６１に沿って、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲する面の側部を、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向におよそ９０度折り曲げて、屈曲部２７を形成する。

図６（ｅ）に示すように、スリット６１に沿って、両側の屈曲部２７のうちスリットが形成してある部分を、電歪フィルム２１、基材３０の下部で互いに距離が狭まるように湾曲させて、梁部４１を形成する。最後に、電歪フィルム２１、基材３０及び梁部４１の形状をテープ等を用いて固定し、例えばオーブンで８５℃の雰囲気中に５分程度入れた後、大気中で冷却する。

以上のように本実施の形態２によれば、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲する面の側部を、電歪フィルム２１、基材３０が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあり、折り曲げた角部の一部に両端を残してスリット６１を形成してある。折り曲げた部分のうちスリット６１が形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させてある。電歪フィルム２１、基材３０が湾曲した場合に、折り曲げた部分のうちスリット６１が形成してある部分が湾曲していることにより、電歪フィルム２１、基材３０の湾曲以外の変形をより抑制することができる。したがって、電歪フィルム２１、基材３０の対向する二辺の一端側を固定することにより、アクチュエータ素子２０に変位を生じさせるエネルギーを、他端の直線運動へと変換することが可能となる。

その他、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内であれば多種の変形、置換等が可能であることは言うまでもない。例えば、電極膜は、上述した導電性インクを用いても良いし、金属薄膜を用いても良い。また、上述のように、電歪フィルム２１と基材３０とが同じ大きさであり、両方を屈曲させても良いし、あるいは電歪フィルム２１を小さくしておき、基材３０のみを屈曲させるようにしても良い。

２０ アクチュエータ素子
２１ 電歪フィルム（フィルム）
２３、２４ 導体パターン（導電層）
２５、２６ 引き出し電極（外部電極）
２７ 屈曲部
３０ 基材
４１ 梁部
６１ スリット

Claims (3)

1. 電歪材料で形成された矩形状のフィルムの両面に導電層を設けてあり、一の導電層側を矩形状の基材に接着してあるアクチュエータ素子であって、
   前記基材の対向する二辺の両端部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあることを特徴とするアクチュエータ素子。
2. 電歪材料で形成された矩形状のフィルムの両面に導電層を設けてあり、一の導電層側を矩形状の基材に接着してあるアクチュエータ素子であって、
   前記基材が湾曲する面の側部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあり、
   折り曲げた角部の一部に両端を残してスリットを形成してあり、
   折り曲げた部分のうち前記スリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させてあることを特徴とするアクチュエータ素子。
3. 前記フィルムと接続してある外部電極を、矩形状の前記フィルムの一辺側に設け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素子。

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