JP2013247740A - Gel actuator - Google Patents
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Abstract
【課題】比較的簡単な構成で、比較的低い駆動電圧で駆動させることができ、応答性及び発生力に優れたゲルアクチュエータを提供する。
【解決手段】誘電性高分子材料を用いて形成された振動可能なゲル部材と、前記ゲル部材を振動させるためのものであって互いに電気的に接続されていない一対の電極部材とを備えたゲルアクチュエータであって、前記一対の電極部材は、前記ゲル部材に対して同じ側に配され、前記一対の電極部材のうち第1の電極部材は、前記一対の電極部材に電圧が印加されていないとき、前記ゲル部材と当接してこれを支持しており、第2の電極部材は、前記ゲル部材と非接触に配されていることを特徴とするゲルアクチュエータ。
【選択図】 図1A gel actuator that can be driven with a relatively low driving voltage with a relatively simple configuration and that is excellent in responsiveness and generating force is provided.
A vibrating gel member formed using a dielectric polymer material and a pair of electrode members for vibrating the gel member and not electrically connected to each other are provided. In the gel actuator, the pair of electrode members are arranged on the same side with respect to the gel member, and the first electrode member of the pair of electrode members has a voltage applied to the pair of electrode members. When not, the gel actuator is in contact with and supporting the gel member, and the second electrode member is disposed in non-contact with the gel member.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、ゲルアクチュエータに関する。 The present invention relates to a gel actuator.
従来、例えば、医療機器、産業用ロボット、パーソナルロボットやマイクロマシン等の駆動源として用いられる、小型で柔軟性に富むアクチュエータの必要性が高まっている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is an increasing need for a small and flexible actuator that can be used as a drive source for medical devices, industrial robots, personal robots, micromachines, and the like.
この種のアクチュエータとしては、例えば、フレキシブル静電アクチュエータと呼ばれるものが知られている。かかるフレキシブル静電アクチュエータとしては、誘電性樹脂フィルム内に三相電極が等ピッチとなるように埋設されてなるフレキシブルプリント基板フィルムを2枚用い、これらが、絶縁液に浸漬された状態で、ビーズ部材を介して、各三相電極同士の配置が適宜ずれるように積層されて形成されたものが挙げられる(非特許文献1参照)。かかるフレキシブル静電アクチュエータによれば、各基板フィルムの三相電極に、三相正弦波の電圧を印加することにより、両基板フィルムを、それぞれ異なる正弦波を有するように振動させて、アクチュエータとして駆動させることができる。 As this type of actuator, for example, what is called a flexible electrostatic actuator is known. As such a flexible electrostatic actuator, two flexible printed circuit board films in which three-phase electrodes are embedded in a dielectric resin film so as to have an equal pitch are used. Examples include those formed by laminating the three-phase electrodes so that the positions of the three-phase electrodes are appropriately shifted via the member (see Non-Patent Document 1). According to such a flexible electrostatic actuator, by applying a voltage of a three-phase sine wave to the three-phase electrode of each substrate film, both the substrate films are vibrated so as to have different sine waves, and driven as an actuator. Can be made.
一方、上記の他、例えば、誘電性高分子材料から形成された振動可能なゲル部材と、前記ゲル部材を振動させるためのものであって互いに電気的に接続されていない一対の電極部材とを備えたゲルアクチュエータが知られている。 On the other hand, in addition to the above, for example, an oscillating gel member formed of a dielectric polymer material and a pair of electrode members for vibrating the gel member and not electrically connected to each other Gel actuators with such are known.
この種のゲルアクチュエータとしては、例えば、イオン性液体と高分子材料とで形成された、ゲル状のイオン電導層と、該イオン電導層の両面に配され、カーボンナノチューブとイオン性液体とで形成された、一対のゲル状の電極層とを備えたもの(ICPFアクチュエータ)が挙げられる(非特許文献2参照)。かかるICPFアクチュエータによれば、各イオン電導層に電圧を印加してこれらイオン電導層に電位差をかけることによって、イオン電導層と各電極層とを一体的に振動させて、アクチュエータとして駆動させることができる。 As this type of gel actuator, for example, a gel-like ion conductive layer formed of an ionic liquid and a polymer material, and a carbon nanotube and an ionic liquid formed on both sides of the ion conductive layer are formed. And a pair of gel-like electrode layers (ICPF actuator) (see Non-Patent Document 2). According to such an ICPF actuator, by applying a voltage to each ion conductive layer and applying a potential difference to these ion conductive layers, the ion conductive layer and each electrode layer can be vibrated integrally and driven as an actuator. it can.
また、前記ゲルアクチュエータとして、他に例えば、ポリ塩化ビニル(PVC)と可塑剤とで形成されたゲル部材と、一対の電極部材とを備え、該一対の電極部材が、前記PVCゲル部材と互いに反対側から当接しているように形成されたもの(PVCゲルアクチュエータ)が挙げられる(非特許文献3参照)。かかるPVCゲルアクチュエータによれば、一対の電極部材に電圧を印加してこれらに電位差をかけることによって、ゲル部材を振動させて、アクチュエータとして駆動させることができる。 In addition, the gel actuator further includes, for example, a gel member formed of polyvinyl chloride (PVC) and a plasticizer, and a pair of electrode members, and the pair of electrode members are mutually connected to the PVC gel member. Examples include those formed so as to be in contact from the opposite side (PVC gel actuator) (see Non-Patent Document 3). According to such a PVC gel actuator, by applying a voltage to a pair of electrode members and applying a potential difference therebetween, the gel member can be vibrated and driven as an actuator.
しかし、上記したフレキシブル静電アクチュエータは、絶縁液中に浸漬させる必要があるため、構成が複雑となり、しかも、高い駆動電圧を必要とする、という問題を有する。また、上記したICPFアクチュエータは、比較的低い駆動電圧で駆動し、応答性(単位時間当たりの振動数、すなわち周波数)も比較的高くなるが、その一方、発生力(駆動による変形量)が小さい、という問題を有する。さらに、上記したPVCゲルアクチュエータでは、ゲル部材が一対の電極部材間を這うように振動するため、該電極部材との衝突によって、また、振動領域が制限されることによって、応答性が低い、という問題がある。 However, since the above-described flexible electrostatic actuator needs to be immersed in an insulating liquid, the configuration is complicated, and a high drive voltage is required. Further, the ICPF actuator described above is driven with a relatively low driving voltage and has a relatively high response (frequency per unit time, that is, frequency), but on the other hand, generated force (amount of deformation due to driving) is small. Have the problem. Furthermore, in the above-described PVC gel actuator, since the gel member vibrates so as to crawl between the pair of electrode members, the responsiveness is low due to the collision with the electrode members and by limiting the vibration region. There's a problem.
本発明は、上記問題点等に鑑み、比較的構成が簡単であり、比較的低い駆動電圧で駆動させることができ、応答性及び発生力に優れたゲルアクチュエータを提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a gel actuator that has a relatively simple configuration, can be driven with a relatively low driving voltage, and is excellent in responsiveness and generating force.
上記課題を解決すべく、本発明にかかるゲルアクチュエータは、
誘電性高分子材料を用いて形成された振動可能なゲル部材と、前記ゲル部材を振動させるためのものであって互いに電気的に接続されていない一対の電極部材とを備えたゲルアクチュエータであって、
前記一対の電極部材は、前記ゲル部材に対して同じ側に配され、
前記一対の電極部材のうち第1の電極部材は、前記ゲル部材と当接してこれを支持しており、第2の電極部材は、前記一対の電極部材に電圧が印加されていないとき、前記ゲル部材と非接触に配されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the gel actuator according to the present invention is:
A gel actuator comprising a vibratable gel member formed using a dielectric polymer material and a pair of electrode members for vibrating the gel member and not electrically connected to each other. And
The pair of electrode members are arranged on the same side with respect to the gel member,
Of the pair of electrode members, the first electrode member is in contact with and supports the gel member, and the second electrode member is configured such that when no voltage is applied to the pair of electrode members, It is arranged in non-contact with the gel member.
ここで、誘電性高分子とは、比誘電率が2〜10である高分子をいう。また、該比誘電率は、誘電性高分子の両面に電極を形成し、その電極間の静電容量を、LCRメータを用いて、周波数100kHz〜1MHz、電圧1〜1.5Vの交流電圧を印加することによって測定する。 Here, the dielectric polymer refers to a polymer having a relative dielectric constant of 2 to 10. In addition, the relative permittivity is obtained by forming electrodes on both surfaces of a dielectric polymer, and using an LCR meter to determine the capacitance between the electrodes, an alternating voltage of a frequency of 100 kHz to 1 MHz and a voltage of 1 to 1.5 V. Measure by applying.
かかる構成によれば、ゲル部材に対して一対の電極部材を同じ側に配し、該一対の電極部材のうち第1の電極部材によってゲル部材を支持し、第2の電極部材をゲル部材と上記非接触に配することによって、前述したフレキシブル静電アクチュエータのように絶縁液に浸漬させる構成を採用する必要がない。
また、一対の電極部材に電圧を印加したときにおいても、ゲル部材が第2の電極部材と非接触であるような構成を採用した場合には、ゲル部材を支持するためのゲル部材を電極部材と衝突することなく振動させることができるため、比較的低い駆動電圧でゲル部材を振動させることができ、しかも、その振動の周波数を高くすることができ、且つ、振動によるゲル部材の変形量を大きくすることができる。
さらに、一対の電極部材に電圧を印加したときに、ゲル部材が第2の電極部材と接触するような構成を採用した場合には、第2の電極部材と反対の側においては、ゲル部材を第2の電極部材と衝突させることなく振動させることができるため、比較的低い駆動電圧でゲル部材を振動させることができ、しかも、その振動の周波数及びゲル部材の変形量を大きくすることができる。
加えて、ゲル部材に対して一対の電極部材を互いに反対側に配しつつ第2の電極部材を離間させる場合と比較して、作製が容易となるのに加え、ゲル部材と第2の電極部材との間隔を精度良く設定し易くなる。
従って、比較的構成が簡単であり、比較的低い駆動電圧で駆動させることができ、応答性及び発生力に優れたゲルアクチュエータを提供することができる。
According to such a configuration, the pair of electrode members are arranged on the same side with respect to the gel member, the gel member is supported by the first electrode member of the pair of electrode members, and the second electrode member is defined as the gel member. By disposing in the non-contact manner, it is not necessary to adopt a configuration in which the substrate is immersed in an insulating liquid like the above-described flexible electrostatic actuator.
Further, when a configuration is adopted in which the gel member is not in contact with the second electrode member even when a voltage is applied to the pair of electrode members, the gel member for supporting the gel member is used as the electrode member. The gel member can be vibrated with a relatively low driving voltage, the frequency of the vibration can be increased, and the amount of deformation of the gel member due to vibration can be reduced. Can be bigger.
Furthermore, when a configuration is adopted in which the gel member comes into contact with the second electrode member when a voltage is applied to the pair of electrode members, the gel member is placed on the side opposite to the second electrode member. Since it can be vibrated without colliding with the second electrode member, the gel member can be vibrated with a relatively low driving voltage, and the frequency of the vibration and the deformation amount of the gel member can be increased. .
In addition, the gel member and the second electrode can be easily manufactured as compared with the case where the second electrode member is separated from the gel member while the pair of electrode members are arranged on the opposite sides. It becomes easy to set the interval with the member with high accuracy.
Accordingly, it is possible to provide a gel actuator that is relatively simple in structure, can be driven with a relatively low driving voltage, and is excellent in responsiveness and generating force.
前記ゲルアクチュエータにおいては、
前記ゲル部材は、第1のゲル部材と、該第1のゲル部材における前記一対の電極部材と反対側に、前記第1のゲル部材と部分的に間隔を空けて積層された、前記第1のゲル部材よりも硬い第2のゲル部材とを有することが好ましい。
In the gel actuator,
The first gel member and the first gel member are laminated on the opposite side of the first gel member to the pair of electrode members, with the first gel member partially spaced from each other. It is preferable to have a 2nd gel member harder than this gel member.
かかる構成によれば、第2のゲル部材の剛性が比較的高いため、ゲルアクチュエータが、第2のゲル部材が土台部分として用いられつつ、一対の電極部材、第1のゲル部材及び第2のゲル部材が繰り返し積層されてなる積層構造を有するような構成とすることが可能となる。これにより、ゲル部材全体の変形量をより大きくすることが可能となり、より広範な用途に適用され得る。 According to such a configuration, since the rigidity of the second gel member is relatively high, the gel actuator is configured so that the pair of electrode members, the first gel member, and the second gel member are used while the second gel member is used as the base portion. It becomes possible to set it as the structure which has a laminated structure by which a gel member is laminated | stacked repeatedly. Thereby, it becomes possible to enlarge the deformation amount of the whole gel member, and it can be applied to a wider range of uses.
前記第1の電極部材は、複数の開口部を有する格子状に形成され、
前記第2の電極部材は、複数設けられ、且つ、該複数の第2の電極部材は、前記開口部内にそれぞれ配されていることが好ましい。
The first electrode member is formed in a lattice shape having a plurality of openings,
It is preferable that a plurality of the second electrode members are provided, and the plurality of second electrode members are respectively disposed in the opening.
かかる構成によれば、ゲル部材が、より複雑な振動パターンを形成することが可能となるため、より広範な用途に適用され得る。 According to this configuration, the gel member can form a more complicated vibration pattern, and thus can be applied to a wider range of applications.
前記ゲルアクチュエータにおいては、
前記ゲル部材は、前記誘電性高分子材料に加えて、さらに可塑剤を用いて形成されたことが好ましい。
In the gel actuator,
The gel member is preferably formed using a plasticizer in addition to the dielectric polymer material.
かかる構成によれば、ゲル部材が、より柔軟性を有し易くなるため、より振動し易くなる。 According to such a configuration, the gel member is more flexible and thus more easily vibrates.
前記ゲルアクチュエータにおいては、
前記誘電性高分子材料は、ポリ塩化ビニルであることが好ましい。
In the gel actuator,
The dielectric polymer material is preferably polyvinyl chloride.
かかる構成によれば、ゲル部材がより作製し易くなり、且つ、ゲル部材がより機械的、化学的に安定したものとなる。
という利点がある。
According to such a configuration, the gel member can be more easily manufactured, and the gel member becomes more mechanically and chemically stable.
There is an advantage.
以上のように、本発明によれば、比較的構成が簡単であり、比較的低い駆動電圧で駆動させることができ、応答性及び発生力に優れたゲルアクチュエータを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a gel actuator that has a relatively simple configuration, can be driven with a relatively low driving voltage, and is excellent in responsiveness and generating force.
以下、本発明のゲルアクチュエータの実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the gel actuator of the present invention will be described.
まず、本発明の第1実施形態のゲルアクチュエータについて説明する。図1、図2に示すように、本実施形態のゲルアクチュエータ1は、誘電性高分子材料を用いて形成された振動可能なゲル部材3と、前記ゲル部材3を振動させるためのものであって互いに電気的に接続されていない一対の電極部材5とを備えたゲルアクチュエータであって、前記一対の電極部材5は、前記ゲル部材3に対して同じ側に配され、前記一対の電極部材5のうち第1の電極部材5aは、前記ゲル部材3と当接してこれを支持しており、第2の電極部材5bは、前記一対の電極部材5に電圧が印加されていないとき、前記ゲル部材3と非接触に配されている。さらに、ゲルアクチュエータ1は、土台部9を備え、土台部9に一対の電極部材5が載置されている。
First, the gel actuator according to the first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIGS. 1 and 2, the gel actuator 1 of the present embodiment is a vibrating
前記ゲル部材3は、誘電性高分子材料を用いて形成されている。また、ゲル部材3は、前記誘電性高分子材料と、可塑剤とを用いて形成されていることが好ましい。可塑剤を用いて形成することにより、ゲル部材3が、より柔軟性を有し易くなるため、より振動し易くなる。
The
前記誘電性高分子は、比誘電率が、2〜8である高分子であり、好ましくは、3〜8である高分子である。このような誘電性高分子からなる材料としては、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリビニルアルコール(PVA)等が挙げられる。これらのうち、PVC、PVdFが好ましい。前記誘電性高分子材料が、PVC、PVdFであることによって、ゲル部材の水分の吸蔵が少なくなり、空気中における劣化が少なくなるという利点がある。
また、これらのうち、前記誘電性高分子材料が、PVCであることがより好ましい。これにより、ゲル部材3がより作製し易くなり、且つ、ゲル部材3がより機械的、化学的に安定したものとなる。
The dielectric polymer is a polymer having a relative dielectric constant of 2 to 8, preferably 3 to 8. Examples of such a material made of a dielectric polymer include polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol (PVA), and the like. Of these, PVC and PVdF are preferred. When the dielectric polymer material is PVC or PVdF, there is an advantage that the moisture absorption of the gel member is reduced and the deterioration in the air is reduced.
Of these, the dielectric polymer material is more preferably PVC. Thereby, the
前記可塑剤としては、アジピン酸ジブチル(DBA)、フタル酸ジオクチル(DOP)、フタル酸ジノルマルオクチル(DBP)、フタル酸ジイソデシル(DIDP)、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)等が挙げられる。これらのうち、DBA、DOPが好ましい。前記可塑剤がDBA、DOPであることによって、比較的容易にゲル化できるという利点がある。 Examples of the plasticizer include dibutyl adipate (DBA), dioctyl phthalate (DOP), dinormal octyl phthalate (DBP), diisodecyl phthalate (DIDP), ethylene carbonate (EC), and propylene carbonate (PC). It is done. Of these, DBA and DOP are preferred. When the plasticizer is DBA or DOP, there is an advantage that it can be gelled relatively easily.
前記誘電性高分子材料と可塑剤との組み合わせとしては、PVCとDBAとの組み合わせ、PVCとDOP、PVdF、EC及びPCの少なくともいずれか1つとの組み合わせ等が挙げられる。 Examples of the combination of the dielectric polymer material and the plasticizer include a combination of PVC and DBA, a combination of PVC and DOP, PVdF, EC, and PC.
ゲル部材3の形状は、特に限定されないが、例えば、シート状の形状を採用することができる。また、ゲル部材3は、1枚のシートから構成されていても、複数のシートが積層されて構成されていてもよい。本実施形態では1枚の第1のゲルシート(第1のゲル部材)3aから構成されている。
Although the shape of the
かかる第1のゲルシート3aの厚みは、0.2〜3mmであることが好ましい。厚みがこの範囲であることにより、比較的低い電圧でも比較的大きな変位が得られるという利点がある。
The thickness of the
また、ゲルシート3aのヤング率は、例えば、1〜90kPaであることが好ましい。このように、ヤング率が1〜90kPaであることによって、柔軟なゲルアクチュエータを実現でき、且つ、変形量(変位)を大きくできる利点がある。かかるヤング率は、例えば、幅3mm、長さ7mm、厚み500μmのゲルシートを試料として用い、テック技研社製マイクロ材料試験機によって引張試験を行うことによって、測定する。
Moreover, it is preferable that the Young's modulus of the
第1のゲルシート3aは、例えば、図3に示すように、以下のようにして製造することができる。すなわち、粉末状の誘電性高分子材料(図3ではPVC)と、可塑剤(図3ではDBA)とを有機溶媒(図3ではTHF)に添加し、マグネティックスターラー等で撹拌して溶解させ、得られた溶液を、箱型の容器等に入れて延ばし、乾燥させることによってシート状に形成することができる。また、上記で得られた溶液を鋳型等に流し込んで乾燥させることによって、所望の形状のシート状に形成することができる。前記有機溶媒としては、例えば、テトラヒドロフラン(THF)等が挙げられる。
For example, as shown in FIG. 3, the
また、誘電性高分子材料と可塑剤の配合量を適宜設定することによって、第1のゲルシート3aの柔軟性(すなわち剛性)を、所望のものに調整することができる。例えば、誘電性高分子材料と可塑剤の配合量は、1質量部:1質量部〜1質量部:10質量部であることが好ましい。
Moreover, the softness | flexibility (namely, rigidity) of the
一対の電極部材5は、第1のゲルシート3aであるゲル部材3に対して同じ側に配されている。図1に示す態様では、一対の電極部材5は、ゲル部材3の下側に配されている。かかる一対の電極部材5は、それぞれ銅(Cu)箔等の金属箔や、カーボンナノチューブをイオン液体に混合したバッキーゲル等の導電性材料等から形成することができる。また、かかる一対の電極部材5は、それぞれ絶縁基板の表面に前記金属箔や導電性材料等から形成された電極層を積層することによって形成されていてもよい。
A pair of
一対の電極部材5のうち、第1の電極部材5aは、接地電極用の電極部材である。該第1の電極部材5aの形状は、特に限定されないが、本実施形態では、櫛形状に形成されている。該櫛歯の数量は、特に限定されるものではない。
Of the pair of
かかる第1の電極部材5aの厚みは、100〜600μmであることが好ましい。該第1の電極部材5aの厚みが100〜600μmであることによって、ゲルアクチュエータ1をより柔軟にできるという利点がある。また、ゲルアクチュエータ1を曲げた場合に、ゲル部材3と第1の電極部材5aとの剥離がより起き難いという利点がある。第1の電極部材5aは、土台部9上に載置され且つゲル部材3の下側に配されて、ゲル部材3を下方から支持している。
The thickness of the
第2の電極部材5bは、駆動電極用の電極部材である。該第2の電極部材5bの形状は、特に限定されないが、上記第1の電極部材5aと同様、櫛形状に形成されている。また該第2の電極部材5bの櫛歯部分は、第1の電極部材5aの櫛歯部分同士の間に挿入されている。該櫛歯の数量は、特に限定されるものではない。また、第2の電極部材5bは、平板状であっても、後述するように格子状であってもよい。
The
また、第2の電極部材5bの厚みは、第1の電極部材5aの厚みよりも小さく設定されており、これにより、該第2の電極部材5bは、ゲル部材3と非接触となっている。かかる第2の電極部材5bの厚みは、10〜100μmであることが好ましい。該第2の電極部材5bの厚みが10〜100μmであることによって、ゲルアクチュエータ1をより柔軟にできるという利点がある。また、ゲルアクチュエータ1を曲げた場合に、土台部9と第2の電極部材5bとの剥離が起き難いという利点がある。
The thickness of the
本実施形態では、第2の電極部材5bとゲル部材3との隙間は、ゲル部材3が振動する前(一対の電極部材5に電圧が印加されていないとき)及び振動しているとき(一対の電極部材に電圧を印加したとき)において、該ゲル部材3が第2の電極部材5bと接触しないように、適宜設定されている。例えば、第2の電極部材5bとゲル部材3との間隔は、一対の電極部材5に電圧が印加されていない状態で、100〜500μmであることが好ましい。かかる間隔が100〜500μmであることによって、アクチュエータ1の応答速度、発生力をより大きくすることができるという利点がある。
In the present embodiment, the gap between the
一対の電極部材5には、直流電圧または交流電圧が印加されるようになっている。前記直流電圧は、例えば100〜600V、より好ましくは400〜600Vに設定されることができる。また、前記交流電圧の電圧は、例えば100〜600V、より好ましくは400〜600V、周波数は、例えば0を超えて1kHz以下、より好ましくは0Hzを超えて200Hz以下が好ましく、20Hzを超えて200Hz以下がより好ましい。このように、比較的低い電圧、すなわち駆動電圧で、ゲル部材3を振動させて、ゲルアクチュエータ1を駆動させることができる。なお、直流電圧を印加する場合には、印加と印加停止とを繰り返すことにより、ゲル部材3を振動させることができる。
A direct voltage or an alternating voltage is applied to the pair of
かかるゲルアクチュエータ1は、例えば一対の電極部材5に交流電圧が印加されることにより、図4に示すように、第1のゲルシート3a内のイオン(例えばPVCの場合には塩化物イオンCl-)が、第2の電極部材5bに引き付けられ、この状態でさらに、第2の電極部材5bに対してさらに引き付けられる方向と離間する方向との移動を繰り返すようになっている。これにより、第1のゲルシート3aは、該第1のゲルシート3aの垂直方向に振動する。また、一対の電極部材5を、三相電極とすることもでき、これにより、第1のゲルシート3aを、正弦波状に振動させることができる。
The gel actuator 1 is configured such that, for example, when an alternating voltage is applied to the pair of
本実施形態のゲルアクチュエータ1によれば、一対の電極部材5が互いに電気的に接続されておらず、しかも、ゲル部材3と第2の電極部材5bとが接触しても放電しないことから、フレキシブル静電アクチュエータのように絶縁液に浸漬させる構成を採用する必要がない。
According to the gel actuator 1 of the present embodiment, since the pair of
次に、本発明の第2実施形態のゲルアクチュエータについて説明する。本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明し、同じ説明を繰り返さない。 Next, a gel actuator according to a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, only different parts from the first embodiment will be described, and the same description will not be repeated.
図6に示すように、本実施形態のゲルアクチュエータ1では、ゲル部材3が、第1のゲルシート3aと、該第1のゲルシート3aにおける前記一対の電極部材5と反対側に、第1のゲルシート3aと部分的に間隔を空けて積層された、前記第1ゲルシート3aよりも硬い第2のゲルシート(第2のゲル部材)3bとを有している。また、第2のゲルシート3bは、突起部3baを有している。
As shown in FIG. 6, in the gel actuator 1 of the present embodiment, the
第2のゲルシート3bは、第1のゲルシート3aよりも硬い、すなわち、第2のゲルシート3bのヤング率は、第1のゲルシート3aのヤング率も大きくなっている。例えば、上記のように、第1のゲルシート3aのヤング率が、1〜90kPaである場合には、第2のゲルシート3bのヤング率は、20〜200kPaであることが好ましい。このように、ヤング率が20〜200kPaであることによって、第1のゲルシート3aを支持するに十分であるという利点がある。
The
また、第2のゲルシート3bの厚み(突起部3baの無い部位の厚み)は、100〜500μmであることが好ましい。第2のゲルシート3bの厚みが100〜500μmであることによって、比較的作製が容易であり、また、該第2のゲルシート3bが振動し易くなって、その変化量を大きくできるという利点がある。
Moreover, it is preferable that the thickness (the thickness of the site | part which does not have projection part 3ba) of the
また、第1のゲルシート3aと間隔を空けて第2のゲルシート3bが積層されるように、第2のゲルシート3bが、第1のゲルシート3aと当接する突起部3baを有している。この突起部3baは、第1のゲルシート3aにおける振動可能な部位の第2の電極部材5bはと反対の側に当接している。すなわち、第2のゲルシート3bは、第1のゲルシート3aにおける第2の電極部材5bとの隙間がある部位における隙間のある側とは反対の側に当接している。また、突起部3baは、一対の電極部材5に交流電圧を印加したとき、第1のゲルシート3aを第2の電極部材5b側に押圧するようになっている。本実施形態では、突起部3baを有することによって、第1のゲルシート3aと部分的に間隔が空けて配されている。
Moreover, the
このように間隔が空けられていることによって、第1のゲルシート3aの振動を阻害せず、より大きく発生させることができるため、ゲル部材3全体の変形量をより大きくすることができる。かかる間隔は、100〜500μmであることが好ましい。かかる間隔がこの範囲であることによって、比較的作製が容易であり,ゲルシート3aの変形を阻害しないという利点がある。
なお、本発明においては、第1のゲルシート3aと第2のゲルシート3bとの間に、別部材を介在させることによって、第2のゲルシート3bが第1のゲルシート3aと部分的に間隔を空けて積層されたように構成されていてもよい。
Since the gap is thus provided, the vibration of the
In the present invention, the
本実施形態によれば、一対の電極部材5に交流電圧を印加すると、図6に示すように、第1のゲルシート3aと共に第2のゲルシート3bが振動する。また、第2のゲルシート3bの剛性が比較的高いため、該第2のゲルシート3bを土台部分として用いつつ、ゲルアクチュエータ1は、一対の電極部材5、第1のゲルシート3a及び第2のゲルシート3bが繰り返し積層されてなる積層構造を有する構成とすることが可能となる。
According to this embodiment, when an AC voltage is applied to the pair of
次に、本発明の第3実施形態のゲルアクチュエータについて説明する。本実施形態では、第1及び第2実施形態と異なる部分についてのみ説明し、同じ説明を繰り返さない。 Next, a gel actuator according to a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, only different parts from the first and second embodiments will be described, and the same description will not be repeated.
図7に示すように、本実施形態のゲルアクチュエータ1では、第1の電極部材5aが複数の開口部5aaを有する格子状に形成されており、第2の電極部材5bは、複数設けられ、且つ、該複数の第2の電極部材5bは、前記開口部5aa内にそれぞれ配されている。
As shown in FIG. 7, in the gel actuator 1 of the present embodiment, the
本実施形態のゲルアクチュエータ1によれば、ゲル部材3が、より複雑な振動パターンを形成すること、例えば、ゲル部材3の表面部分に進行波を発生させることが可能となる。
According to the gel actuator 1 of the present embodiment, the
なお、上記第3実施形態では、第1の電極部材5aが複数の開口部を有する格子状に形成され、第2の電極部材5bが、前記開口部内に配された構成を採用するが、その他、かかる構成とは逆に、第2の電極部材5bが複数の開口部を有する格子状に形成され、第1の電極部材5aが、前記開口部に配された構成を採用する態様も挙げられる。この構成では、第2の電極部材5bの格子間を通って突出している第1の電極部材5aによってゲル部材3が支持されることとなる。
In the third embodiment, the
また、上記実施形態では、一対の電極部材に電圧を印加したときに、ゲル部材が第2の電極部材に接触しないような構成を採用したが、その他、上記電圧を印加したときに、ゲル部材が第2の電極部材に接触するような構成を採用してもよい。
例えば、図8に部分的に示すように、第2の電極部材5bが、複数の開口部を有する格子状に形成され、一対の電極部材5に電圧を印加したとき、ゲル部材3(図8では第1のゲルシート3a)を前記開口部に入り込ませるような構成を採用することもできる。この場合、上記とは異なり、第2の電極部材5bの格子間に第1の電極部材5aが配されていない。
かかる構成によれば、一対の電極部材5に電圧を印加したとき、ゲル部材3が第2の電極部材5bに衝突し、ゲル部材3の一部が格子内に入り込むため、その分、ゲル部材3の振動の振幅を大きくすることができる。また、格子内に入り込んだゲル部材3を一時的に保持することができる、すなわち、変形状態を保持する保持力を発揮し得る。
Moreover, in the said embodiment, when the voltage was applied to a pair of electrode member, the structure which a gel member did not contact with a 2nd electrode member was employ | adopted, However, when the said voltage is applied, a gel member is employ | adopted. A configuration may be adopted in which is in contact with the second electrode member.
For example, as shown partially in FIG. 8, the
According to this configuration, when a voltage is applied to the pair of
上記した実施形態に例示された本発明のゲルアクチュエータは、小型ポンプ、タッチパネル、細経管内探査用小型ロボット等を駆動させるアクチュエータとして適用することができる。 The gel actuator of the present invention exemplified in the above-described embodiment can be applied as an actuator for driving a small pump, a touch panel, a small robot for searching inside the meridian tube, and the like.
上記したように、本実施形態のゲルアクチュエータ1は、誘電性高分子材料を用いて形成された振動可能なゲル部材3と、前記ゲル部材3を振動させるためのものであって互いに電気的に接続されていない一対の電極部材5とを備えたゲルアクチュエータ1であって、前記一対の電極部材5は、前記ゲル部材3に対して同じ側に配され、前記一対の電極部材5のうち第1の電極部材5aは、前記ゲル部材と当接してこれを支持しており、第2の電極部材5bは、前記一対の電極部材に電圧が印加されていないとき、前記ゲル部材3と非接触に配されている。
As described above, the gel actuator 1 of this embodiment is for vibrating the
かかる構成によれば、ゲル部材3に対して一対の電極部材5を同じ側に配し、該一対の電極部材5のうち第1の電極部材5aによってゲル部材3を支持し、第2の電極部材5bをゲル部材3と上記非接触に配することによって、フレキシブル静電アクチュエータのように絶縁液に浸漬させる構成を採用する必要がない。
また、一対の電極部材5に電圧を印加したときにおいても、ゲル部材3が第2の電極部材5bと非接触であるような構成を採用した場合には、ゲル部材3を支持するためのゲル部材3を第2の電極部材5bと衝突することなく振動させることができるため、比較的低い駆動電圧でゲル部材を振動させることができ、しかも、その振動の周波数を高くすることができ、且つ、振動によるゲル部材の変形量を大きくすることができる。
さらに、一対の電極部材5に電圧を印加したときに、ゲル部材3が第2の電極部材5bと接触するような構成を採用した場合であっても、第2の電極部材5bと反対の側においては、ゲル部材3を第2の電極部材5bと衝突することなく振動させることができるため、比較的低い駆動電圧でゲル部材3を振動させることができ、しかも、その振動の周波数及びゲル部材3の変形量を大きくすることができる。
加えて、ゲル部材3に対して一対の電極部5を互いに反対側に配しつつ第2の電極部材5bを離間させる場合と比較して、作製が容易となるのに加え、ゲル部材3と第2の電極部材5bとの間隔を精度良く設定し易くなる。
従って、比較的簡単な構成で、比較的低い駆動電圧で駆動させることができ、応答性及び発生力に優れたゲルアクチュエータ1を提供することができる。
According to this configuration, the pair of
Further, when a configuration is adopted in which the
Furthermore, even when a configuration is adopted in which the
In addition, compared to the case where the
Therefore, it is possible to provide the gel actuator 1 that can be driven with a relatively low driving voltage with a relatively simple configuration and is excellent in responsiveness and generating force.
前記ゲルアクチュエータ1においては、前記ゲル部材3は、第1のゲル部材(ゲルシート)3aと、該第1のゲル部材3aにおける前記一対の電極部材5と反対側に、前記第1のゲル部材3aと部分的に間隔を空けて積層された、前記第1のゲル部材3aよりも硬い第2のゲル部材3bとを有することが好ましい。
In the gel actuator 1, the
かかる構成によれば、第2のゲル部材3bの剛性が比較的高いため、ゲルアクチュエータ1が、第2のゲル部材3bが土台部分として用いられつつ、一対の電極部材5、第1のゲル部材3a及び第2のゲル部材3bが繰り返し積層されてなる積層構造を有するような構成とすることが可能となる。これにより、ゲル部材3全体の変形量をより大きくすることが可能となり、より広範な用途に適用され得る。
According to this configuration, since the rigidity of the
前記ゲルアクチュエータ1においては、前記第1の電極部材5aは、格子状に形成され、前記第2の電極部材5bは、前記格子間に配されたことが好ましい。かかる構成によれば、ゲル部材3が、より複雑な振動パターンを形成することが可能となるため、より広範な用途に適用され得る。
In the gel actuator 1, the
また、前記ゲルアクチュエータ1においては、前記誘電性高分子材料は、ポリ塩化ビニルであることが好ましい。かかる構成によれば、ゲル部材3がより作製し易くなり、且つ、ゲル部材3がより機械的、化学的に安定したものとなる。
In the gel actuator 1, the dielectric polymer material is preferably polyvinyl chloride. According to such a configuration, the
本発明に係るゲルアクチュエータは、上記実施形態の構成に限定されるものではない。また、本発明に係るゲルアクチュエータの作用効果は、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明に係るゲルアクチュエータは、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 The gel actuator according to the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment. Moreover, the operation effect of the gel actuator according to the present invention is not limited to the above-described operation effect. The gel actuator according to the present invention can be variously modified without departing from the gist of the present invention.
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明についてさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples.
<実施例1>
図3に示すように、誘電性高分子材料としてのPVC粉末と可塑剤としてのDBAを、1質量部:5質量部の配合量で、有機溶媒としてのTHFに溶解させた。得られた溶解液をシャーレに入れ、乾燥することによって、厚み500μmのゲルシートを作製した。かかるゲルシートのヤング率を、テック技研社製マイクロ材料試験器によって測定したところ、25kPaであった。
一方、厚み1000μmであるコ字形状の銅製の第1の電極部材(接地電極用)と、該電極部材の凹み部分に配置された厚み500μmである矩形状の銅製の第2の電極部材(駆動電極用)とで一対の電極部材を構成した。この一対の電極部材を、土台部としてのガラス板上に載置し、載置した一対の電極部材のうち、第1の電極部材上に、上記で作製したゲルシートを載置して、図9に示すようなゲルアクチュエータを作製した。このアクチュエータにおいてゲルシートと第2の電極部材との間隔は500μmであった。かかるゲルアクチュエータを、図9に示すような実験用治具で挟持して固定し、ゲルシートの振動を評価するための実験を行った。
<Example 1>
As shown in FIG. 3, PVC powder as a dielectric polymer material and DBA as a plasticizer were dissolved in THF as an organic solvent in a blending amount of 1 part by mass: 5 parts by mass. The obtained solution was placed in a petri dish and dried to prepare a gel sheet having a thickness of 500 μm. The Young's modulus of the gel sheet was measured with a micro material tester manufactured by Tech Giken Co., Ltd., and was 25 kPa.
On the other hand, a U-shaped copper first electrode member (for ground electrode) having a thickness of 1000 μm and a rectangular copper second electrode member having a thickness of 500 μm disposed in the recessed portion of the electrode member (driving) A pair of electrode members was constructed. The pair of electrode members is placed on a glass plate as a base portion, and the gel sheet prepared above is placed on the first electrode member among the placed pair of electrode members, and FIG. A gel actuator as shown in FIG. In this actuator, the distance between the gel sheet and the second electrode member was 500 μm. Such a gel actuator was clamped and fixed by an experimental jig as shown in FIG. 9, and an experiment for evaluating the vibration of the gel sheet was conducted.
そして、一対の電極部材に、500Vの交流電圧を印加して、このときの、ゲルシートの周波数と最大変位及び両振幅(変形量)との関係を調べた。結果を図10に示す。図10に示すように、交流電圧の印加によって、ゲルシートは、75μmだけ駆動電極用の電極部材に引き寄せられ、この状態から(この位置を中心として)、さらに両側35μmの振幅(両振幅)で振動した。電圧の周波数は、ゲル部材の周波数に対応しており、この振動の周波数は、157Hzであった。
なお、図10に示す最大変位は、ゲル部材における電圧が印加されていない状態での位置と、電圧印加後、振動時における振幅の下限の位置との差を表す。
<実施例2>
図5及び図6に示すのと同様の、ゲルアクチュエータを、下記のようにして作製した。
すなわち、上記実施例1と同様にして、厚みが500μm、ヤング率が25kPaである矩形状の第1のゲルシートを作製した。
また、PVCとDBAの質量部を1:3.3とすること以外は実施例1と同様にして、PVC粉末とDBAをTHFに溶解させた。得られた溶液を、上記第2実施形態の第2のゲルシート3b(図5参照)と同様の形状を形成するための型枠に入れ、乾燥することによって、第2のゲルシートを作製した。かかる第2のゲルシートにおける突起部が無い部分の厚みは1000μm、突起部の突出長さは500μm、ヤング率は125kPaであった。
さらに、厚みが300μmである櫛形状の銅製の第1の電極部材(接地用電極)と、厚みが100μmである櫛形状の銅製の第2の電極部材(駆動用電極)とで一対の電極部材を構成した。これらの厚みの差により、ゲル部材と第2の電極部材との間隔を200μmに設定した。
この一対の電極部材を、土台部としてのガラス板上に載置し、載置した一対の電極部材のうち、第1の電極部材上に、第1のゲルシート、第2のゲルシートをこの順に積層し、更に、該第2のゲルシートの上に、一対の電極部材、第1のゲルシート、第2のゲルシートの順に積層して、ゲルアクチュエータを作製した。
そして、一対の電極部材に、500Vの電圧を印加して、ゲル部材の周波数特性を調べた。この結果、直流電圧では、ゲル部材の振動における最大変位は45μmであった。また、交流電圧では、周波数は160Hzのとき、両振幅は62.5μm,最大変位は87.5μmであった。
And the alternating voltage of 500V was applied to a pair of electrode member, and the relationship between the frequency of a gel sheet at this time, the maximum displacement, and both amplitude (deformation amount) was investigated. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 10, the gel sheet is attracted to the electrode member for the drive electrode by 75 μm by the application of the AC voltage, and from this state (centered on this position), further vibrates with both amplitudes (both amplitudes) of 35 μm on both sides. did. The frequency of the voltage corresponds to the frequency of the gel member, and the frequency of this vibration was 157 Hz.
Note that the maximum displacement shown in FIG. 10 represents the difference between the position of the gel member in a state where no voltage is applied and the position of the lower limit of amplitude during vibration after voltage application.
<Example 2>
A gel actuator similar to that shown in FIGS. 5 and 6 was produced as follows.
That is, in the same manner as in Example 1, a rectangular first gel sheet having a thickness of 500 μm and a Young's modulus of 25 kPa was produced.
Moreover, the PVC powder and DBA were dissolved in THF in the same manner as in Example 1 except that the mass part of PVC and DBA was 1: 3.3. The obtained solution was put into a mold for forming the same shape as the
Furthermore, a pair of electrode members is composed of a comb-shaped copper first electrode member (grounding electrode) having a thickness of 300 μm and a comb-shaped copper second electrode member (driving electrode) having a thickness of 100 μm. Configured. Due to the difference in thickness, the distance between the gel member and the second electrode member was set to 200 μm.
The pair of electrode members are placed on a glass plate as a base portion, and the first gel sheet and the second gel sheet are laminated in this order on the first electrode member among the placed pair of electrode members. Further, a pair of electrode members, a first gel sheet, and a second gel sheet were laminated in this order on the second gel sheet to produce a gel actuator.
And the voltage of 500V was applied to a pair of electrode member, and the frequency characteristic of the gel member was investigated. As a result, at the DC voltage, the maximum displacement in the vibration of the gel member was 45 μm. Further, in the AC voltage, when the frequency was 160 Hz, both amplitudes were 62.5 μm and the maximum displacement was 87.5 μm.
<比較例1>
上記実施例1と同様にして、厚さ600μmのゲルシートを作製した。このゲルシートのヤング率は、25kPaであった。
また、アルミ板から形成された第1の電極部材(接地用電極)とステンレス製の格子状の第2の電極部材(駆動用電極、空隙:640μm,ワイヤ幅:180μm)とで一対の電極部材を構成した。この一対の電極部材のうち、第1の電極部材の上にゲルシートを載置し、該ゲルシートの上に第2の電極部材を載置し、ゲルシートを一対の電極部材で反対側から挟むことによって、ゲルアクチュエータを作製した。
そして、一対の電極部材に電圧を印加して、ゲル部材の最大変位を測定した。結果を図11に示す。この結果、400Vの直流電圧を印加したところ、最大変位は73μmであった。また、400Vの交流電圧を印加し、両振幅の周波数特性を測定したところ、10Hzで37μm、また、100Hzで0.92μmであった。
<Comparative Example 1>
A gel sheet having a thickness of 600 μm was produced in the same manner as in Example 1. The Young's modulus of this gel sheet was 25 kPa.
A pair of electrode members is composed of a first electrode member (grounding electrode) formed of an aluminum plate and a stainless steel grid-like second electrode member (driving electrode, gap: 640 μm, wire width: 180 μm). Configured. Of the pair of electrode members, a gel sheet is placed on the first electrode member, a second electrode member is placed on the gel sheet, and the gel sheet is sandwiched from the opposite side by the pair of electrode members. A gel actuator was prepared.
And the voltage was applied to a pair of electrode member, and the maximum displacement of the gel member was measured. The results are shown in FIG. As a result, when a DC voltage of 400 V was applied, the maximum displacement was 73 μm. Further, when an AC voltage of 400 V was applied and the frequency characteristics of both amplitudes were measured, it was 37 μm at 10 Hz and 0.92 μm at 100 Hz.
上記の結果、実施例1、2の方は、比較例1よりも、高い周波数において変位が大きいため、応答性、発生力に優れていることがわかった。 As a result, it was found that Examples 1 and 2 were superior to Comparative Example 1 in terms of responsiveness and generative force because the displacement was larger at a higher frequency.
1:ゲルアクチュエータ、3:ゲル部材、3a:第1のゲル部材、3b:第2のゲル部材、5:一対の電極部材、5a:第1の電極部材、5b:第2の電極部材、9:土台部 1: gel actuator, 3: gel member, 3a: first gel member, 3b: second gel member, 5: pair of electrode members, 5a: first electrode member, 5b: second electrode member, 9 : Base part
Claims (5)
前記一対の電極部材は、前記ゲル部材に対して同じ側に配され、
前記一対の電極部材のうち第1の電極部材は、前記ゲル部材と当接してこれを支持しており、第2の電極部材は、前記一対の電極部材に電圧が印加されていないとき、前記ゲル部材と非接触に配されていることを特徴とするゲルアクチュエータ。 A gel actuator comprising a vibratable gel member formed using a dielectric polymer material and a pair of electrode members for vibrating the gel member and not electrically connected to each other. And
The pair of electrode members are arranged on the same side with respect to the gel member,
Of the pair of electrode members, the first electrode member is in contact with and supports the gel member, and the second electrode member is configured such that when no voltage is applied to the pair of electrode members, A gel actuator characterized by being arranged in non-contact with a gel member.
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